¿Cuál es el límite teórico para más lejano podemos ver en el tiempo y distancia?

Question

13.2 mil millones de años el universo era más pequeño, comenzó con sólo la mitad de mil millones de años. Hoy en día, con la ayuda del Telescopio Espacial Hubble, que son capaces de captar la luz de las galaxias que emiten en ese momento.

El punto en el que la Tierra existe ahora debe haber estado muy cerca de esas galaxias. Si es así, ¿por qué es que sólo ahora, después de 13,2 mil millones de años más tarde, la luz de estas galaxias ha llegado a nosotros? O en otras palabras, ¿estamos seguros de que la luz que vemos de estas galaxias, de hecho, viajó 13,2 mil millones de años?

Parece como si hubiera una carrera entre nuestro punto de huir de esas galaxias (con la expansión del universo y el espacio) y la luz que se emite en ese momento. Y sólo ahora que la luz ha alcanzado y superado a nosotros. Pero si eso es así, entonces no es poner un límite a la más antigua de la luz que podemos ver, no importa cuán poderoso es el telescopio es (incluso es más poderosa que la del Telescopio Espacial James Webb)? Esto se debe esperar, porque en el momento justo después del Big Bang, la luz emitida por todos los objetos ya debe haber superado todos los demás objetos, incluyendo la ubicación de la tierra. Por lo tanto, nunca volveremos a ver la luz que de edad (cerca de la hora de Big Bang) no importa cuán poderoso es el telescopio. Si esto es así, ¿cuál es el límite teórico podemos ver a lo lejos en el pasado?

Answer 1

Parece como si hubiera una carrera entre nuestro punto de huir de esas galaxias (con la expansión del universo y el espacio) y la luz que se emite en ese momento. Y sólo ahora que la luz ha alcanzado y superado a nosotros.

Eso es correcto. Un fotón de una fuente lejana tiene que superar la expansión del universo con el fin de llegar a nosotros. Voy a ilustrarlo con un ejemplo. El siguiente gráfico muestra la trayectoria de un fotón en un universo en expansión (basado en el Modelo Estándar de la cosmología y las últimas de datos).

El eje horizontal muestra la distancia a nosotros, y el eje vertical es el tiempo cósmico. A lo largo del tiempo, nuestra galaxia se mueve en el negro de la línea vertical, y actualmente estamos situados en el punto negro: la edad actual del universo es de 13.8 mil millones de años.

Supongamos que ahora estamos observando los fotones de una galaxia distante. El corrimiento hacia el rojo de los fotones que nos permiten calcular cuando fueron emitidos, lo que la distancia de la galaxia fue en ese momento, y lo que la actual distancia de la galaxia. En el gráfico, la galaxia emite la luz cuando el universo fue de 2,5 millones de años de antigüedad. La galaxia se encuentra en la púrpura de punto, mientras que nuestra propia galaxia estaba en el punto blanco, y la distancia entre ambos era de 5.52 millones de años luz (línea blanca).

Ahora, si el universo no se expande, entonces la luz sería sólo he necesitado 5.52 millones de años en llegar a nosotros (que se mueve en los guiones de la línea naranja). Sin embargo, lo hace el universo se expanda, y como resultado, la luz seguido la línea gruesa de color naranja, teniendo 11.3 mil millones de años para llegar hasta nosotros. Así, debido a la expansión del universo, la luz que se necesita alrededor de dos veces más de tiempo para llegar a nosotros. Durante ese tiempo, la expansión causada la propia fuente que se alejan de nosotros, después de la de puntos de la línea morada, y su distancia actual a estados unidos se ha incrementado a 19.89 mil millones de años luz (línea cian).

Hay algo más interesante: el origen de la galaxia se aleja de nosotros más rápido que la velocidad de la luz (sí, eso es permitido en la Relatividad General). Debido a que la distancia entre nosotros y los fotones fue inicialmente el aumento de (la expansión fue ganando 'la raza). Pero poco a poco los fotones se mueven a través de las regiones que se alejan de nosotros más lento: la oscuridad de la línea verde representa el llamado Hubble distancia: la región del espacio que se está alejando de nosotros a la velocidad de la luz. Así que cuando los fotones se cruzó esa línea, su distancia a nosotros comenzó a disminuir. Todos los fotones que observamos hoy en día han estado viajando en esta forma de lágrima de la curva, que se llama de nuestro cono de luz pasado.

Pero si eso es así, entonces no es poner un límite a la más antigua de la luz que podemos ver, no importa cuán poderoso es el telescopio es?

Sí. La distancia máxima de regiones del espacio que podemos observar es llamada la partícula cósmica horizonte, y se muestra en el gráfico como el grosor de la línea azul. Usted puede pensar en él como la trayectoria de un fotón enviados desde nuestra ubicación en $t=0$. Si queremos alejar el zoom de la gráfica, se parece a esto:

La distancia actual a la partícula horizonte es de 46.2 millones de años luz, y todo dentro de lo que se llama el universo observable. No podemos ver nada más allá de ella.

Esto se debe esperar, porque en el momento justo después del Big Bang, la luz emitida por todos los objetos ya debe haber superado todos los demás objetos, incluyendo la ubicación de la tierra.

No, de hecho la tasa de expansión del universo era muy alta al principio, por lo que los fotones de regiones distantes no podía llegar a nosotros. La expansión, a continuación, más lento, hasta que comenzó a acelerar de nuevo cuando la energía oscura comenzó a dominar (cuando el universo tenía alrededor de 7.7 millones de años).

Si esto es así, ¿cuál es el límite teórico podemos ver a lo lejos en el pasado?

En teoría, todo el camino hasta el universo temprano, cuando todas las partículas fueron creados (que, de acuerdo a los principales teorías, estaba en el extremo de la inflación de la época). Sin embargo, el universo temprano era tan densa que era opaco, por lo que no podemos ver los fotones de la primera ~380.000 años (aunque en principio se podría detectar neutrinos de la época). Cuando el universo tenía alrededor de 380.000 años de edad, la densidad era lo suficientemente bajo como para que los átomos para formar, y los fotones se podía mover libremente. Los fotones son las más antiguas de la luz que podemos ver, formando el Fondo Cósmico de Microondas.

Para una información más detallada y explicación técnica, ver este post.

Answer 2

La luz de antes galaxias cercanas necesitaba mucho tiempo para llegar aquí porque el Universo – y la distancia entre el origen de la galaxia y el nuestro, se fue ampliando a medida que la luz se encontraba de viaje. Así que cuando la luz llegó al punto medio, por ejemplo, la distancia entre dos galaxias era ya sólo un poco menor que 1/2 de 13.7 mil millones de años luz.

La luz de los lugares que son incluso más lejos que el Universo observable no podría haber llegado aquí a todos porque su intento de superar la expansión de la gran distancia entre esta más allá del horizonte de la galaxia y el nuestro es tan desesperada como un intento de superar la velocidad de la luz.

Si usted realmente desea calcular cuánto tiempo tarda la luz en recorrer una distancia en un Universo en expansión, necesita el FRW en la geometría métrica tensor de la forma $$ds^2 = -c^2 dt^2 + a(t)^2 (dX^2+dY^2+dZ^2)$$ Supongo que la distribución espacial de las secciones en un momento dado son planos, de acuerdo con las observaciones. La función de $a(t)$ es una función creciente de tiempo que cuantifica cómo una unidad de distancia a la vez que crece en otro momento – la escala general de $a(t)$ es irrelevante, ya que puede ser absorbido a la normalización de las coordenadas $X,Y,Z$, demasiado.

Para el físico, la correcta distancias en un momento dado, $t$ $a(t)\cdot \Delta Z$ en lugar de $\Delta Z$ sí. Pero $t$ mide directamente el tiempo transcurrido desde el Big Bang, de acuerdo a una galaxia en reposo.

Para calcular cuán lejos de la luz puede obtener, es útil para utilizarlo en otro momento de coordinar $\tau$, de modo que $$ds^2 = (-c^2 d\tau^2+dX^2+dY^2+dZ^2) A(\tau)^2$$ Debemos tener $A(\tau)=A(\tau(t))=a(t)$ a que tienen derecho los coeficientes delante de $dX^2+dY^2+dZ^2$. Y $c\cdot d\tau \cdot A(\tau(t)) = c\cdot dt$ a coincidir con el tiempo relacionados con el término que significa $dt / d\tau = A(\tau(t))$, lo que permite integrar y encontrar el reparametrization de$t$$\tau$.

No quiero ser explícito acerca de la forma de estas funciones, es un poco complicado, ya que la expansión del Universo ha tenido diferentes power-ley etapas etc. – pero el punto es que la luz se mueve a lo largo de trayectorias con $c\cdot d\tau =\sqrt{dX^2+dY^2+dZ^2}$, es decir, a lo largo de niza de 45 grados en las curvas de las $\tau,X,Y,Z$ coordenadas si puedo configurar el $c=1$ ahora.

La razón por la luz que se necesita un tiempo largo, es que en realidad se necesita un corto período de tiempo en el $\tau$ de coordenadas, como se puede esperar, el Universo era pequeño, las distancias eran más cortas de la mitad de mil millones de años después del Big Bang, y $c\cdot \Delta \tau$ es directamente proporcional a esta corta distancia. Pero el problema es que $\Delta \tau$ no es real en el momento adecuado. La real en el tiempo apropiado, $\Delta t$ es la integral de la $\int c\cdot A(\tau)\cdot d\tau$ y el factor de $A(\tau)$ será cada vez más grande y más grande a medida que el Universo se expande y, de hecho, va a ser de 13,2 mil millones de años a pesar de la proximidad de las primeras galaxias.