Medir con mayor precisión la distancia de galaxias remotas

Por lo que leí en Wikipedia , la velocidad de una galaxia tiene dos componentes: uno se debe a la ley de Hubble para la expansión cósmica y el otro es la velocidad peculiar de la galaxia.

Dado que la velocidad peculiar de las galaxias puede ser superior a 1.000 km/s en una dirección aleatoria, esto provoca un error al evaluar su distancia usando la ley de Hubble (estoy resumiendo de Wikipedia).

Se puede hacer una estimación más precisa tomando la velocidad promedio de un grupo de galaxias: las velocidades peculiares, que se supone que son esencialmente aleatorias, se cancelarán entre sí, dejando una medida mucho más precisa.

Supongo que "grupo de galaxias" en realidad significa la estructura cósmica con ese nombre, en lugar de cualquier colección de galaxias que parecen estar en "el mismo vecindario", aunque el texto de Wikipedia no hace referencia explícita a eso, como lo haría normalmente. Pero voy a ignorar ese problema.

El mayor problema que veo es que la velocidad de las estructuras celestes con respecto a su "alrededor" parece ser proporcional a su tamaño: 30 km/s para la Tierra, 200 km/s para el Sol, 600 km/s para el Vía Láctea, y generalmente hasta 1000 km/s y más para las galaxias.

Así que esperaría que esto suba nuevamente para estructuras aún más grandes, como grupos o cúmulos de galaxias.

Por lo tanto, mientras que promediar las velocidades puede dar alguna corrección en la medición, la principal fuente de error debería provenir de la velocidad del grupo en sí, y no se corregiría con ese procedimiento.

Esto debilitaría significativamente la afirmación de Wikipedia de que produce una medición " mucho más precisa ".

¿Tengo razón o me equivoco en mi razonamiento?

Una muy buena pregunta sobre un tema sutil. Creo que esto toca el aspecto a menudo descuidado de la cosmología (que sin duda sería una etiqueta apropiada aquí) de que la homogeneidad/isotropía se activa solo a cierta escala, pero no tengo la confianza suficiente para convertir eso en una respuesta. Por cierto, no hay una definición fija de "grupo", solo cualquier algoritmo que elija emplear.
Los votos negativos son fascinantes. Es obvio que estoy preguntando porque mi conocimiento no es suficiente. Si mi pregunta es lo suficientemente tonta como para justificar un voto anticipado, ¿por qué no me dice por qué? Estoy interesado.

Respuestas (1)

El comportamiento que estás describiendo es una consecuencia del teorema del virial . Sin entrar en los detalles sangrientos, esto nos dice que si algún sistema interactivo de muchos objetos tiene una energía potencial total promedio de < tu > entonces su energía cinética total promedio < T > está relacionado con < tu > por:

< T >= 1 2 < tu >

La prueba de esto es algo abrumadora, pero tomemos un ejemplo simple. La energía potencial de la Tierra en el pozo gravitacional del Sol es:

tu = GRAMO METRO metro r

dónde METRO es la masa del Sol, metro es la masa de la tierra y r es el radio orbital. La energía cinética de la Tierra es:

T = 1 2 metro v 2

dónde v es la velocidad orbital. si establecemos T = 1 2 tu obtenemos:

1 2 metro v 2 = 1 2 GRAMO METRO metro r

y con un poco de reordenamiento obtenemos una expresión para la velocidad orbital:

v = GRAMO METRO r

y bingo, esta es exactamente la expresión de la velocidad orbital .

El punto de todo esto es que las velocidades crecientes que usted describe son el resultado de las energías potenciales crecientes de las interacciones. La energía potencial del Sistema Solar en relación con la Vía Láctea es mayor que la de la Tierra en relación con el Sol, por lo que esperamos que las velocidades resultantes sean mayores. Asimismo, la energía potencial de la Vía Láctea en relación con el Grupo Local vuelve a ser mayor, y así sucesivamente.

Entonces, tiene razón en que las estructuras más grandes están asociadas con velocidades más grandes, pero en realidad es una consecuencia de las energías potenciales más grandes involucradas en lugar de directamente debido al tamaño. Esto es importante porque en las escalas más grandes no hay estructuras ligadas gravitacionalmente, es decir, las energías potenciales son cero (en relación con el universo como un todo).

Entonces, a medida que aumentamos de tamaño, esperamos que las energías cinéticas aumenten, luego alcancen un máximo y comiencen a disminuir nuevamente. Exactamente dónde está el máximo, no estoy seguro, presumiblemente en algún lugar entre el cúmulo de galaxias y la escala del supercúmulo. De todos modos, el punto es que si promediamos las velocidades de las galaxias en una escala lo suficientemente grande, promediaremos las velocidades peculiares y obtendremos un valor exacto para la constante de Hubble.

Increíble, simplemente increíble. Quiero decir, estaba pensando en explicar cómo no hay estructuras unidas gravitacionalmente en las escalas más grandes y que la velocidad de los objetos en escalas más pequeñas se debe a que orbitan o están unidas gravitacionalmente. Pero hiciste exactamente eso solo de una manera decisiva e irrefutable. No se requiere una explicación desordenada. Estoy celosa. +1
Muchas gracias por esta respuesta tan interesante (sospechaba que el teorema virial estaba involucrado, pero no lo domino lo suficiente). Aún así, me molestan algunas preguntas. Primero, por supuesto, asumiendo lo que dijo, ¿tengo razón al decir que la afirmación de Wikipedia es significativamente demasiado fuerte? (esa era mi pregunta). Otro punto que me preocupa es ¿por qué las estructuras más grandes deberían tener una energía potencial mayor? La masa importa, pero también el tamaño en la fórmula energética. Y es extraño que la energía potencial aumente hasta cierto tamaño (¿cúmulo galáctico?), y luego disminuya.
@babou: tienes dos efectos en competencia: la gravedad tiende a juntar la materia y la expansión del espacio tiende a separarla. A pequeña escala, la expansión es insignificante y la gravedad gana, pero si la escala es lo suficientemente grande, la expansión gana. Es por eso que hay una energía potencial gravitatoria máxima en algún lugar en el medio.
@babou: es tu primer punto: si muestras todas las galaxias a cierta distancia r sobre todo el cielo (todo 4 π de él), entonces estás tomando muestras de galaxias de muchos cúmulos diferentes. Se esperaría que las velocidades de las galaxias de diferentes cúmulos no estuvieran correlacionadas y, por lo tanto, promediaran la velocidad de Hubble.
La gravedad contra la expansión es una buena explicación para un máximo de velocidad. Sin embargo, no veo cómo podemos promediar las velocidades de un grupo de galaxias sin asegurarnos de que están más o menos a la misma distancia, que es lo que estamos tratando de determinar. Así que estamos en un argumento circular. Hacer que pertenezcan a una estructura única es la única forma que parece ayudar. Otro punto es que no es obvio por qué la energía potencial debe ser mayor en estructuras grandes. El teorema del virial aparentemente da una velocidad promedio del orden de v = GRAMO METRO s i z mi , ¿pero entonces, qué?
@babou: METRO es aproximadamente proporcional a s i z mi 3 ...
No estaba demasiado ansioso por tomar una masa proporcional al tamaño cúbico. La densidad parece disminuir con el tamaño. Revisé el sistema solar y la vía láctea, y si no me equivoco, la relación es algo así como METRO = k S 3 / 2 (La masa del sistema solar es 1M para el tamaño 10 3 mentira; La masa de la Vía Láctea es 10 12 M para 100kly.
@babou: de acuerdo. Pero mientras el poder del tamaño sea mayor que la unidad, la velocidad aumentará con el tamaño.