宇宙の膨張により見えなくなった銀河はありますか？

最も遠い銀河が加速して私たちから逃げ出し、光速を超えてしまう場合、量が増えるにつれて、時間の経過とともに銀河が上空から消えることを期待する必要があります。これを観察しましたか？排除する次の銀河とその衰退の時期を示すことはできますか？

私の質問は、光速よりも速いだけでなく、すべての速度範囲で動く銀河に関係しています。

いいえ。実際はその逆です。

（直感的な説明については、最後の段落を参照してください。）

光速よりも速く後退している銀河は私たちには見えないというのはよくある誤解です。これはそうではありません; 超光速で移動している銀河を簡単に見ることができます。これは、ほとんどの人が思うように、相対論の理論と矛盾しません。これは、よりも速く宇宙を移動することはできないということです。銀河は宇宙を移動しません（100-1000 km / sの小さな速度を除く）。むしろ、宇宙自体が拡大しており、銀河間の距離が広がっています。$c$

「超光速」銀河を見る

銀河の後退速度はハッブルの法則によって与えられます： ここではハッブル定数です（Planck Collaboration et al。2016）。この法則は、よりも遠くにある銀河を意味します はよりも速く後退します。ここで、下付き文字「HS」が選択されているのは、銀河がよりもゆっくりと後退する領域を「泡球」と呼ぶためです。距離にあるオブジェクトの赤方偏移は v r e c = H $v_\mathrm{rec}$H 0 ≃

$$v_\mathrm{rec} = H_0 \, d,$$ $H_0 \simeq 67.8\,\mathrm{km}\,\mathrm{s}^{-1}\,\mathrm{Mpc}^{-1}$ $$r_\mathrm{HS} \equiv \frac{c}{H_0} \simeq 4400\,\mathrm{Mpc} \simeq 14.4 \, \mathrm{Gly}\,\,\mathrm{("\!\!Giga\mbox{-}lightyears\!\!")}$$ $c$$c$$r_\mathrm{HS}$$z\simeq1.6$。

過去に遠方の銀河（たとえば赤方偏移 GN-z11）から天の川（MW）の方向に放出された光子を考えてみます。特別な相対論が私たちに伝えていることは、局所的に、光子は常に空間を移動するということです。したがって、最初は光子​​は速度でGN-z11からの距離を増加させ。しかし、光子が私たちに向かって移動しても、宇宙の膨張のために、MWまでの距離は増加します。フォトンがGN-z11までの距離を伸ばすと、同じ膨張により、フォトンがGN-z11から遠ざかる速度で後退します。さらに、それがMWに向かって移動するにつれて、拡張が次の点に到達するまでゆっくりと「克服」します。$z=11.1$$v=c$$c$$v_\mathrm{rec} = c$。非常に短い期間、それは立ち止まるでしょう。MW。その後、MWから測定すると、より速く移動し始めます。最終的に、その速度（まだMWの参照フレーム内）はに達し、その時点でMWに達しています。$c$

したがって、GN-z11とMWがていても、それを見ることができます。おそらくもっと直感的でないのは、GN-z11が今日目にする光を放出したとき、でさらに速く後退したことです。$v_\mathrm{rec} = 2.2c$$v_\mathrm{rec} \sim 4c$

より遠くの銀河を見る

ただし、宇宙が作成されてから光が移動する時間がある距離によって、私たちに見える銀河がどれだけ速く後退できるかには限界があります。光はあらゆる方向から来るので、半径球の中心に位置しています。この球体は「観測可能な宇宙」と呼ばれ、その表面（物理的なものではない）は粒子の水平線（したがって下付き文字「PH」）と呼ばれます。粒子の地平線にある銀河は後退しています。$r_\mathrm{PH}$$r_\mathrm{PH}$$v_\mathrm{rec}\simeq3.3c$

時間が経つにつれ、遠く離れた銀河からの光が届きま​​す。つまり、が増加します。言い換えると、観測可能な宇宙は常にサイズが大きくなり、その速度に関係なく、今日目に見える銀河は観測可能な宇宙を離れることはありません。$^\dagger$$r_\mathrm{PH}$

しかし、将来の観測可能な銀河はますます赤方偏移するため、それらの光は最終的に可視範囲から外れ、より長い電波にシフトします。さらに、検出された各光子間の時間は増加するため、光子はどんどん暗くなり、実際には消えます。

直感的な説明

なぜ光が光よりも速く後退する銀河から私たちに届くのかを理解するための良い例えは、「輪ゴムの虫」です：（無限に伸縮可能な）輪ゴム（長さ、たとえば10 cm）を壁に取り付けますそして、あなたが選んだ一定の速度、例えば1 m / sで離れて歩きます。始める前に、ペットのワームを壁の近くの端に置きます。それはあなたに戻りたいと思っており、1 cm / s、つまりあなたより100倍遅い速度でクロールを開始します。届きますか？壁の視点から見ると、ワームとワームの両方が遠ざかりますが、一定の速度で後退するのに対して、ワームは最初は遅いですが、ゴムバンドの上を移動するため加速しますが、一部ワームと壁の間のゴムバンドのサイズが大きくなります。もちろん、残りのラバーバンドもサイズが大きくなりますが、に到達します（この例では、ワームには 260億年かかりますが、その時点で忍耐力が失われた可能性があります。ただし、10 cm / sだけで歩くと、わずか6時間かかります） 。$10^{26}$

この例えでは、あなたはMWであり、壁はGN-z11で、ワームは光子です。あなたが一定の速度で歩くが、ない場合は、今も（これは暗黒エネルギーの効果の類推で）加速し、ワームは、またはあなたの速度に応じて、あなたに届かない場合があります。私たちがこれまで見ることができる遠い銀河に限界があるのと同じように。

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$^\dagger$_{距離が長いことは時間を遡ることも意味するため（光が長い時間を費やしていたため）、実際にはこれほど遠くにある銀河は見えません。しかし、ビッグバンから38万年前までさかのぼって、銀河が生まれたガスを見ています。}

時が経つにつれて、現在観測可能な宇宙にない銀河が観測可能になりますが、これは突然のウインクではありません。代わりに、数億年以上の間、原始銀河が成熟した銀河に進化するのがわかります。

たとえば 、暗黒物質ハローへの水素の付加であると解釈する水素の「ブロブ」があります。この解釈が正しければ、最終的にそれから形成される銀河は観測可能な宇宙の外にあります。しかし、それはそのままではありません。何十億年にもわたって、水素が星を形成し、銀河が私たちの観測可能な宇宙に存在します。新しい銀河が突然出現したのではなく、何十億年にもわたる進化が見られます。

大きな赤方偏移の影響があります。最終的には、銀河は十分に速く後退し始め、検出可能性のレベルを下回って赤方偏移します。約2兆年後には、局所銀河だけが見えるようになると示唆されています。これも迅速なプロセスではありません（！）

したがって、我々は銀河が宇宙の水平線上に消えるのを観測せず、そうすることを期待していません。