¿Hay galaxias que se perdieron del horizonte debido a la expansión cósmica?

No. De hecho, es todo lo contrario.

(Consulte el último párrafo para obtener una explicación intuitiva).

Es una creencia errónea común que las galaxias que retroceden más rápido que la velocidad de la luz no son visibles para nosotros. Este no es el caso; fácilmente vemos galaxias moviéndose a velocidades superlumínicas. Esto no contradice, como creo que pensaría la mayoría de la gente, la teoría de la relatividad, que dice que nada puede viajar por el espacio más rápido que$c$. Las galaxias no viajan por el espacio (excepto con pequeñas velocidades de 100-1000 km/s ); más bien, el espacio mismo se está expandiendo, lo que hace que aumenten las distancias entre las galaxias.

Vemos galaxias "superluminales"

La velocidad de recesión$v_\mathrm{rec}$de una galaxia viene dada por la Ley de Hubble:

$$v_\mathrm{rec} = H_0 \, d,$$ dónde $H_0 \simeq 67.8\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$es la constante de Hubble ( Planck Collaboration et al. 2016 ). Esta ley implica que las galaxias más lejanas que $$r_\mathrm{HS} \equiv \frac{c}{H_0} \simeq 4400\,\mathrm{Mpc} \simeq 14.4 \, \mathrm{Gly}\,\,\mathrm{("\!\!Giga\mbox{-}lightyears\!\!")}$$ retrocede más rápido que $c$. Aquí, se elige el subíndice "HS" porque la región dentro de la cual las galaxias retroceden más lentamente que $c$se llama la "esfera de Hubble". Objetos a una distancia de $r_\mathrm{HS}$tener un corrimiento al rojo de $z\simeq1.6$.

Considere un fotón emitido desde una galaxia distante (por ejemplo, GN-z11 con corrimiento al rojo ).$z=11.1$) en el pasado, en dirección a la Vía Láctea (MW). Lo que nos dice la relatividad especial es que localmente , el fotón siempre viaja a través del espacio en$v=c$. Inicialmente, el fotón aumenta su distancia desde GN-z11 a una velocidad$c$. Sin embargo, aunque el fotón viaje hacia nosotros, su distancia a MW aumenta debido a la expansión del Universo. A medida que el fotón aumenta su distancia a GN-z11, la misma expansión hace que se aleje de GN-z11 a una velocidad cada vez mayor. Además, a medida que viaja hacia MW, "superará" lentamente la expansión hasta llegar al punto donde$v_\mathrm{rec} = c$. Durante un período infinitesimalmente pequeño, se mantendrá firme. MW, después de lo cual comenzará a viajar cada vez más rápido medido desde MW. Eventualmente, su velocidad, aún en el marco de referencia de MW, alcanzará$c$, momento en el que habrá alcanzado MW.

Por lo tanto, aunque GN-z11 y MW se alejan entre sí en$v_\mathrm{rec} = 2.2c$, todavía podemos verlo. Lo que quizás sea aún más contradictorio es que cuando GN-z11 emitió la luz que vemos hoy, retrocedió aún más rápido, en$v_\mathrm{rec} \sim 4c$.

Vemos galaxias cada vez más lejanas

Sin embargo, existe un límite en la rapidez con la que una galaxia visible para nosotros puede retroceder, dado por la distancia$r_\mathrm{PH}$esa luz ha tenido tiempo de viajar desde que se creó el Universo. La luz nos llega desde todas las direcciones, por lo que estamos situados en el centro de una esfera de radio$r_\mathrm{PH}$. Esta esfera se llama "el Universo observable", y su superficie (que no es una cosa física) se llama horizonte de partículas (de ahí el subíndice "PH"). Las galaxias en el horizonte de partículas se alejan a$v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$.

A medida que pasa el tiempo, la luz de galaxias cada vez más distantes$^\dagger$nos alcanzará; es decir$r_\mathrm{PH}$aumenta En otras palabras, el Universo observable siempre aumenta de tamaño, y ninguna galaxia visible hoy abandonará el Universo observable, sin importar su velocidad .

Sin embargo, dado que las futuras galaxias observables se desplazarán cada vez más hacia el rojo, su luz eventualmente se desplazará fuera del rango visible y en ondas de radio cada vez más largas. Además, el tiempo entre cada fotón detectado aumentará, por lo que serán cada vez más tenues y, por lo tanto, en la práctica, desaparecerán .

Explicación intuitiva

Una buena analogía para comprender mejor por qué nos puede llegar la luz desde una galaxia que retrocede más rápido que la luz, es el "gusano en una banda elástica": coloque una banda elástica (infinitamente elástica) (de una longitud, digamos, de 10 cm) en una pared. y alejarse a cualquier velocidad constante que elija, por ejemplo, 1 m/s. Antes de comenzar, coloque su gusano mascota al final cerca de la pared. Quiere volver a ti y comienza a arrastrarse a 1 cm/s, es decir, 100 veces más lento que tú. ¿Alguna vez te alcanzará? Si lo miras desde la perspectiva de la pared, tanto tú como el gusano se alejan, pero mientras tú retrocedes a una velocidad constante, el gusano, aunque más lento al principio, acelera porque se mueve sobre la goma, pero la parte de la banda elástica entre el gusano y la pared aumenta de tamaño. El resto de la banda elástica, por supuesto, también aumenta de tamaño, pero eso no significate alcanzará (aunque en este ejemplo, se llevará al gusano$10^{26}$mil millones de años, momento en el que puede haber perdido la paciencia. Pero si caminas a solo 10 cm/s, tardarás solo 6 horas).

En esta analogía, usted es el MW, la pared es GN-z11 y el gusano es un fotón. Ahora bien, si no caminas a una velocidad constante, sino que también aceleras (esto es una analogía del efecto de la energía oscura), el gusano puede alcanzarte o no, dependiendo de tus velocidades. Al igual que hay un límite en la distancia a la que podremos ver las galaxias.

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$^\dagger$_{Tenga en cuenta que, dado que las grandes distancias también significan mirar hacia atrás en el tiempo (dado que la luz ha pasado mucho tiempo viajando), en realidad no vemos galaxias tan lejos, ya que no se formaron tan temprano en la historia. Sin embargo, vemos el gas del que nacieron las galaxias, ya 380.000 años después del Big Bang.}

A medida que pasa el tiempo, hay galaxias que actualmente no están en el universo observable y que se volverán observables. Pero esto no es un guiño repentino. En cambio, durante cientos de millones de años veremos una protogalaxia evolucionar hacia una galaxia madura.

Por ejemplo, hay una "mancha" de hidrógeno que algunos interpretan como la acumulación de hidrógeno en un halo de materia oscura. Si esta interpretación es correcta, entonces la galaxia que finalmente se forma a partir de ella está fuera del universo observable. Pero no seguirá siendo así. Durante miles de millones de años, el hidrógeno habrá formado estrellas y la galaxia estará en nuestro universo observable. No vemos la aparición repentina de una nueva galaxia, sino la evolución a lo largo de miles de millones de años.

Hay un efecto de mayor desplazamiento hacia el rojo. En última instancia, las galaxias comenzarán a retirarse lo suficientemente rápido como para que se desplacen hacia el rojo por debajo del nivel de detectabilidad. Se sugiere que en unos 2 billones de años solo serán visibles las galaxias locales. De nuevo, esto no es un proceso rápido (!)

Por tanto, no observamos galaxias desapareciendo sobre un horizonte cósmico, y no esperamos que suceda.