¿Comenzaremos a ver desaparecer galaxias debido a la expansión del Universo? [duplicar]

Es un error común pensar que no se pueden observar las galaxias que retroceden más rápido que la luz. Hay dos versiones de este concepto erróneo:

1. Las galaxias que ahora se alejan más rápido que la luz no se pueden ver.
2. Si observamos una galaxia hoy , puede retroceder más rápido que la luz ahora , pero cuando emitió la luz que vemos ahora, no lo hizo.

Ambos son incorrectos.

Esto se ve más fácilmente en un diagrama de espacio-tiempo. Pero antes de mostrar eso, una forma un tanto intuitiva de entender esta aparente paradoja es considerar el viaje del fotón desde el marco de referencia de la galaxia emisora: En este marco, el fotón sale del emisor con una velocidad$v=c$(como debería), pero como su velocidad es siempre$v$ localmente , luego en el marco del emisor, su velocidad aumenta sin límites. Esto no es una prueba, pero puede ayudar a demostrar que "la luz puede viajar más rápido que la velocidad de la luz".

Ahora al diagrama de espacio-tiempo. Mi versión favorita es del artículo clásico de Davis & Lineweaver (2004) , pero en realidad me gusta más esta versión de la excelente (!) publicación de Pulsar :

Tal diagrama muestra la edad (o, de manera equivalente, el tamaño) del Universo, en función de la distancia de comovimiento correspondiente$^1$de eventos. Están sucediendo muchas cosas en este diagrama, y ​​me referiré a la respuesta de Pulsar para una discusión interesante de todo esto. Para nuestros propósitos, considere lo único que he agregado a la figura: la línea universal, es decir, el "camino" tomado a través del espacio-tiempo de algún objeto, de la galaxia GN-z11 , vista como una línea discontinua vertical a una distancia comóvil.$d_C \simeq 32.2\,\mathrm{Gly}$. Es vertical, porque no se mueve en coordenadas comóviles. Lo observamos con un corrimiento al rojo de$z=11.09$, lo que significa que la luz que vemos (moviéndose a 45º hacia nuestra línea de tiempo que está en$d_C=0$) se emitió cuando el Universo tenía aproximadamente 400 millones de años. En ese momento, GN-z11 retrocedía a una velocidad$v\simeq4c$!

La burbuja verde más interna (etiquetada como "$v_\mathrm{rec}=c$") es la esfera de Hubble , definida de tal manera que en cualquier punto en el tiempo, todo lo que está afuera retrocede más rápido que$c$. Mientras tanto, la línea roja muestra el horizonte de eventos , que define el límite entre todo lo que eventualmente se puede observar (región roja clara) y todo lo que no. Un subconjunto de esto está más allá del cono de luz (región naranja), que es algo que ya hemos observado (o al menos hemos tenido la oportunidad de hacerlo).

Todo lo que se encuentra entre la esfera de Hubble y el horizonte de eventos consiste en eventos que hemos podido ver, o eventualmente podremos ver, pero que retroceden más rápido que la velocidad de la luz cuando emite la luz que vemos.

Como puede ver, la región se vuelve más estrecha con el tiempo.$^2$, lo que significa que la expansión acelerada del Universo hace cada vez más difícil que los fotones emitidos a lo lejos nos alcancen. Nunca podremos ver galaxias que hoy están más lejos de aproximadamente 17 Gly. Pero se verán las galaxias que están más cerca (si miramos), y un subconjunto de estas, a saber, las que tienen$14\,\mathrm{Gly} \lesssim d_C \lesssim 17\,\mathrm{Gly}$- actualmente están retrocediendo más rápido que la velocidad de la luz.

El Universo observable se define como la región dentro de la cual la luz ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros. El "borde" de esto se llama horizonte de partículas y, como se ve desde la línea azul, siempre aumenta su distancia de nosotros (en coordenadas de comovimiento y, por lo tanto, aún más en coordenadas físicas). En coordenadas de comovimiento, alcanza un tamaño máximo de aproximadamente 63 Gly. Eso significa que cada vez entrarán más galaxias en nuestro Universo observable, pero a medida que pase el tiempo lo harán a un ritmo cada vez menor, alcanzando asintóticamente un valor finito (de 5 billones de galaxias, más o menos). Una vez dentro del horizonte de partículas, una galaxia nunca se irá. Sin embargo, seguirá aumentando su distancia de nosotros en coordenadas físicas, así como su velocidad, y por lo tanto se desplazará al rojo sin límites y se desvanecerá a negro.

$^1$_{Las coordenadas de movimiento se definen para que "se expandan con la expansión del Universo". Eso significa que en estas coordenadas, las galaxias se encuentran aproximadamente quietas. El uno al otro. Para obtener las coordenadas físicas , es decir, lo que mediría si congelara el Universo y colocara las varillas de medición, multiplique las coordenadas comóviles por el factor de escala.$a$visto a la derecha$y$eje. Desde hoy$a\equiv1$, las coordenadas físicas y de comovimiento coinciden hoy.}

$^2$_{El hecho de que el diagrama esté en coordenadas comóviles hace que sea un poco difícil de ver, pero este sigue siendo el caso en coordenadas físicas.}