Astronomie

Y a-t-il des galaxies qui sont tombées hors de l'horizon en raison de l'expansion cosmique ?

Y a-t-il des galaxies qui sont tombées hors de l'horizon en raison de l'expansion cosmique ?

Si les galaxies les plus éloignées s'éloignent de nous avec une accélération qui les fait dépasser la vitesse de la lumière, nous devrions nous attendre à ce qu'elles disparaissent du ciel au fil du temps avec une quantité croissante. Avons-nous observé cela? Peut-on indiquer les prochaines galaxies à éliminer et leur temps de déclin ?

Ma question concerne les galaxies se déplaçant avec toutes les plages de vitesse, pas seulement celles supérieures à la vitesse de la lumière.


Non. En fait, c'est le contraire.

(Voir le dernier paragraphe pour une explication intuitive.)

C'est une idée fausse commune que les galaxies reculant plus vite que la vitesse de la lumière ne sont pas visibles pour nous. Ce n'est pas le cas; nous voyons facilement les galaxies se déplacer à des vitesses supraluminiques. Cela ne contredit pas - comme je pense que la plupart des gens le pensent - la théorie de la relativité, qui dit que rien ne peut voyager à travers espace plus vite que $c$. Les galaxies ne voyagent pas à travers espace (sauf pour les petites vitesses de 100-1000 km/s) ; c'est plutôt l'espace lui-même qui s'étend, provoquant une augmentation des distances entre les galaxies.

Nous voyons des galaxies "super-luminales"

La vitesse de récession $v_mathrm{rec}$ d'une galaxie est donnée par la loi de Hubble : $$ v_mathrm{rec} = H_0 , d, $$ où $H_0 simeq 67.8,mathrm{km} ,mathrm{s}^{-1},mathrm{Mpc}^{-1}$ est la constante de Hubble (Planck Collaboration et al. 2016). Cette loi implique que les galaxies plus éloignées que $$ r_mathrm{HS} equiv frac{c}{H_0} simeq 4400,mathrm{Mpc} simeq 14.4 , mathrm{Gly},, mathrm{("!!Gigambox{-}années-lumière!!")} $$ reculent plus vite que $c$. Ici, l'indice "HS" est choisi parce que la région dans laquelle les galaxies reculent plus lentement que $c$ est appelée la "sphère de Hubble". Les objets à une distance de $r_mathrm{HS}$ ont un décalage vers le rouge de $zsimeq1.6$.

Considérons un photon émis depuis une galaxie lointaine (disons, GN-z11 à redshift $z=11.1$) dans le passé, dans la direction de la Voie Lactée (MW). Ce que nous dit la relativité restreinte, c'est que localement, le photon voyage toujours dans l'espace à $v=c$. Dans un premier temps, le photon s'éloigne donc de GN-z11 à la vitesse $c$. cependant, même si le photon se déplace vers nous, sa distance à MW augmente, en raison de l'expansion de l'Univers. Au fur et à mesure que le photon augmente sa distance par rapport à GN-z11, la même expansion le fait reculer de GN-z11 à une vitesse toujours croissante. De plus, en se déplaçant vers MW, il "surmontera" lentement l'expansion jusqu'à ce qu'il atteigne le point où $v_mathrm{rec} = c$. Pour une période infiniment petite, il se tiendra wrt. MW, après quoi il commencera à voyager de plus en plus vite tel que mesuré à partir de MW. Finalement, sa vitesse - toujours dans le référentiel de MW - atteindra $c$, point auquel elle aura atteint MW.

Ainsi, même si GN-z11 et MW s'éloignent l'un de l'autre à $v_mathrm{rec} = 2.2c$, nous pouvons toujours le voir. Ce qui est peut-être encore plus contre-intuitif, c'est que lorsque GN-z11 a émis la lumière que nous voyons aujourd'hui, elle a reculé même plus rapide, à $v_mathrm{rec} sim 4c$.

On voit de plus en plus de galaxies lointaines

Il y a cependant une limite à la vitesse à laquelle une galaxie visible pour nous peut reculer, donnée par la distance $r_mathrm{PH}$ que la lumière a eu le temps de parcourir depuis la création de l'Univers. La lumière nous vient de toutes les directions, nous sommes donc situés au centre d'une sphère de rayon $r_mathrm{PH}$. Cette sphère est appelée "l'Univers observable", et sa surface (qui n'est pas une chose physique) est appelée la horizon de particules (d'où l'indice "PH"). Les galaxies à l'horizon des particules reculent à $v_mathrm{rec}simeq3.3c$.

Au fil du temps, la lumière des galaxies de plus en plus lointaines$^dagger$ nous atteindra ; c'est-à-dire que $r_mathrm{PH}$ augmente. Autrement dit, l'Univers observable augmente toujours en taille, et aucune galaxie visible aujourd'hui ne quittera jamais l'Univers observable, quelle que soit sa vitesse.

Cependant, étant donné que les futures galaxies observables seront de plus en plus décalées vers le rouge, leur lumière finira par se déplacer hors du domaine visible et dans des ondes radio de plus en plus longues. De plus, le temps entre chaque photon détecté augmentera, ils seront donc de plus en plus gradateurs, et donc en pratique, ils volonté disparaître.

Explication intuitive

Une bonne analogie pour mieux comprendre pourquoi la lumière peut nous atteindre d'une galaxie qui recule plus vite que la lumière, est le "ver sur un élastique": Attachez un élastique (étirable à l'infini) (d'une longueur, disons, 10 cm) à un mur et éloignez-vous à n'importe quelle vitesse constante que vous choisissez, par exemple 1 m/s. Avant de commencer, placez votre ver de compagnie au bout près du mur. Il veut revenir vers vous et commence à ramper à 1 cm/s, soit 100 fois plus lentement que vous. Cela t'atteindra-t-il jamais ? Si vous le regardez du point de vue du mur, vous et le ver vous éloignez, mais alors que vous reculez à vitesse constante, le ver, bien que plus lent au début, accélère car il se déplace sur l'élastique, mais la partie de l'élastique entre la vis sans fin et le mur augmente en taille. Le reste de l'élastique augmente bien sûr également en taille, mais cela n'a pas d'importance - tant que vous avez une vitesse constante et que la vis sans fin accélère, il volonté vous atteindra (bien que dans cet exemple, il faudra au ver 10^{26}$ milliards d'années, auquel cas il aura peut-être perdu patience. Mais si vous marchez à seulement 10 cm/s, cela ne prendra que 6 heures) .

Dans cette analogie, vous êtes le MW, le mur est GN-z11 et le ver est un photon. Maintenant, si vous ne marchez pas à une vitesse constante, mais également accélérer (c'est une analogie avec l'effet de l'énergie noire), le ver peut ou non vous atteindre, selon vos vitesses. Tout comme il y a une limite à la distance que nous pourrons voir des galaxies.


$^poignard$Notez que puisque les grandes distances signifient également remonter dans le temps (puisque la lumière a passé beaucoup de temps à voyager), nous ne voyons en fait pas de galaxies si loin, car elles ne s'étaient pas formées si tôt dans l'histoire. Nous voyons cependant le gaz à partir duquel les galaxies sont nées, aussi loin que 380 000 ans après le Big Bang.


Au fil du temps, il y a des galaxies qui ne sont actuellement pas dans l'univers observable qui deviendront observables. Mais ce n'est pas un clin d'œil soudain. Au lieu de cela, sur des centaines de millions d'années, nous verrons une proto galaxie évoluer en une galaxie mature.

Par exemple, il existe une « goutte » d'hydrogène que certains interprètent comme étant l'accrétion d'hydrogène sur un halo de matière noire. Si cette interprétation est correcte, alors la galaxie qui se forme finalement à partir de celle-ci est en dehors de l'univers observable. Mais il ne le restera pas. Sur des milliards d'années, l'hydrogène aura formé des étoiles et la galaxie sera dans notre univers observable. Nous ne voyons pas l'apparition soudaine d'une nouvelle galaxie, nous voyons plutôt l'évolution sur des milliards d'années.

Il y a un effet de décalage vers le rouge plus important. En fin de compte, les galaxies commenceront à se retirer suffisamment rapidement pour qu'elles soient décalées vers le rouge en dessous du niveau de détectabilité. Il est suggéré que dans environ 2 000 milliards d'années, seules les galaxies locales seront visibles. Encore une fois, ce n'est pas un processus rapide (!)

Ainsi, nous n'observons pas la disparition de galaxies au-dessus d'un horizon cosmique, et nous ne nous attendons pas à le faire.