¿Por qué las galaxias más alejadas de la Tierra se alejan más rápido de la Tierra?

Primero, déjenme simplemente darle la vuelta a la pregunta. ¿Qué pasa si pregunto en su lugar lo siguiente: “¿Por qué las galaxias de movimiento más rápido están más lejos de la Tierra?” La respuesta es obvia, ¿no? Están más lejos porque se están alejando más rápido. ¿Necesito decir mas? Moverse más rápido y estar más lejos realmente significa lo mismo, ¿no?

Pero permítanme también aprovechar esta oportunidad para tocar dos conceptos erróneos comunes aquí.

Primero, alejándose “de la Tierra”. Realmente no se están alejando de la Tierra. Todo se está alejando de todo lo demás. No importa dónde se encuentre en este universo en expansión, todo lo demás parecerá estar alejándose de usted. Hay un maravilloso GIF animado que una vez encontré en Interwebs, desafortunadamente olvidé dónde, lo que ilustra gráficamente este punto. Lo incluiré a continuación, con la advertencia de que, entiendo, la forma en que Quora funciona en algunos dispositivos, no parecerá animada. Intenta mirarlo en una PC usando Quora en un navegador.

En segundo lugar, este negocio de mudanza. Algunas personas, incluso físicos profesionales entre ellos, le dirán que nada está haciendo ningún movimiento; es “expansión del espacio”. Esto es incorrecto, por varias razones. Primero, el espacio no es medible. No tiene pequeños marcadores o hitos para medir su expansión. Es cierto que la métrica del espacio-tiempo está cambiando, pero eso no es lo mismo que la “expansión del espacio”. Y las distancias se miden entre las cosas ; el espacio en sí no es algo que puedas medir. Segundo, las ecuaciones de expansión cósmica son directamente derivables de la física newtoniana. (Físicos profesionales: Eche un vistazo a los Fundamentos físicos de la cosmología de Mukhanov. No es el único libro, por supuesto, donde se demuestra esto). La física newtoniana tiene espacio y tiempo absolutos, por lo que ciertamente no se está expandiendo. Tercero, la definición misma de movimiento (relativo) es el cambio de distancia con el tiempo. La distancia entre dos galaxias cambia con el tiempo. Eso es movimiento, por definición. Por último, pero no menos importante, si “el espacio se está expandiendo”, ¿qué pasa con las cosas que dejaron de expandirse? ¿Cúmulos, galaxias, sistemas solares, planetas, personas? No, estas cosas dejaron de expandirse porque su movimiento fue cancelado por una fuerza, generalmente la gravedad, y por lo tanto formaron estructuras ligadas. No tienen que hacer ningún trabajo contra el “espacio en expansión” para permanecer juntos, porque el espacio no se está expandiendo. Son cosas que están volando en un universo en expansión.

Para resumir: cuanto más rápido se separan las cosas, más distantes se distancian con el tiempo; expansión cósmica significa que las cosas nacieron en un estado de vuelo separado y han estado volando aparte desde entonces, a menos que alguna fuerza (generalmente la gravedad) los detuviera; y todo está volando aparte de todo lo demás, la Tierra no es de ninguna manera especial en este sentido.

¡La expansión del Universo puede considerarse en 1-Dimension como la expansión de una Banda de Goma!

Entonces, imaginemos una banda elástica que se fija en un extremo. He marcado algunos puntos equidistantes (1,2 y 3) que están a una distancia [matemática] a [/ matemática] separados uno del otro. Entonces, [matemáticas] a [/ matemáticas] es básicamente el factor de escala.

Ahora, pensemos en lo que sucederá cuando tire del extremo derecho de la banda de goma …

Sí, lo has adivinado bien! ¡Los puntos (1,2 y 3) se moverán y el factor de escala también se moverá! ¡La distancia [matemática] a [/ matemática] aumenta a medida que la banda de goma se expande! ¡Pruébalo con una banda elástica para verlo tú mismo! Como [math] a [/ math] es una función del tiempo, lo llamaré [math] a (t) [/ math]

Ahora volvamos a nuestro Universo por un segundo. Según la analogía de la banda elástica, podemos decir que a medida que el universo se expande, ¡aumenta la distancia entre 2 coordenadas espaciales!

Intentemos llegar a una función [matemática] D [/ matemática] que represente la distancia entre 2 puntos en la banda elástica en un momento específico. Así es como puedes definir esta función …

[matemáticas] \ begin {ecation} \ begin {split} \ bbox [# AFA, 10px] {D = \ triangle xa (t)} \ end {split} \ end {equation} \ tag * {1} [/ math ]

Donde [math] \ triangle x [/ math] es la diferencia en el punto de coordenadas. Por ejemplo, si está considerando los puntos 1 y 3, entonces [matemáticas] \ triángulo x = 3-1 = 2 [/ matemáticas] y así sucesivamente.

¡Tomemos la derivada de ambos lados de la ecuación-1 con respecto al tiempo!

[matemáticas] \ begin {ecation} \ begin {split} \ dfrac {dD} {dt} = \ dot {D} = \ triangle x \ dot {a} (t) \ end {split} \ end {ecation} \ etiqueta * {} [/ math]

¡Si piensas un poco, te darás cuenta de que [matemáticas] \ dfrac {dD} {dt} [/ matemáticas] es la velocidad! O en otras palabras [matemáticas] \ dot {D} = V [/ matemáticas]

Entonces ahora tenemos …

[matemáticas] \ begin {ecation} \ begin {split} \ bbox [# ABA, 10px] {V = \ triangle x \ dot {a} (t)} \ end {split} \ end {ecation} \ tag * { }[/matemáticas]

Simplemente multipliquemos ambos lados de la ecuación anterior por [matemáticas] a [/ matemáticas]

[matemáticas] \ begin {ecation} \ begin {split} aV = \ boxed {a \ triangle x} \ dot {a} (t) \ end {split} \ end {ecation} \ tag * {} [/ math]

¡Mira lo que hay dentro de esa caja! Es la definición misma de [matemáticas] D [/ matemáticas]. Consulte la ecuación-1.

Eso significa…

[matemáticas] \ begin {ecation} \ begin {split} V = D \ dfrac {\ dot {a}} {a} = DH \ end {split} \ end {ecation} \ tag * {} [/ math]

Donde [math] H = \ dfrac {\ dot {a}} {a} [/ math] es la constante del Hubble. Una característica importante de esta Constante de Hubble es que en este mismo momento, es universalmente el mismo valor. Pero si observa su valor después de un tiempo, su valor puede ser diferente (en ese momento, su valor aún sería universalmente constante). Lo que intento decir es que solo es una constante en el espacio; ¡No es una constante en el tiempo!

[matemáticas] \ begin {ecation} \ begin {split} V = DH \ end {split} \ end {ecation} \ tag * {} [/ math]

Pensemos en lo que esta ecuación realmente está tratando de decirnos …

• Si conoce la velocidad a la que una galaxia retrocede [matemática] (V) [/ matemática], ¡puede calcular qué tan lejos está [matemática] (D) [/ matemática]!
• ¡Cuanto más lejos esté algo de ti, más rápido se alejará! Eso es porque [matemáticas] \ boxed {V \ propto D} [/ math]

Tome un pedazo de papel y dibuje un cuadrado, ocupando la mitad del ancho. Dibuje doce puntos al azar, y asígneles una etiqueta de A a L. Mida la distancia desde el punto A hasta los otros 11 y anótelos.

Ahora fotocopie la imagen, pero amplíela al 100% (por lo que es dos veces el tamaño del original). Repita las mediciones de A a los otros 11 puntos.

Encontrará que todas las distancias se han duplicado. Si esos diagramas representaban imágenes de un universo (pequeño y plano), separados por 1 segundo, puede determinar la velocidad de cada punto a medida que se aleja del punto A. Encontrará que los más alejados de A tienen las velocidades más altas. El punto A está en el centro de este universo y todos los demás puntos se alejan de él, y sus velocidades dependen de su distancia desde el punto A.

Ahora el bit realmente inteligente: repita las dos etapas de medición, pero mida las distancias desde un punto diferente, diga el punto G. Encontrará que, esta vez, todos los otros puntos se alejan del punto G. El punto G también es el centro de este universo, y todos los otros puntos se alejan del punto G, y su velocidad depende de su distancia de G.

Con suerte, tienes el punto ahora. Cada punto es el centro de este universo y todos los otros puntos se alejan de él a una velocidad que depende de la distancia entre ellos.

Imagina que tienes una recta numérica infinita con galaxias en cada número. La expansión del espacio es como multiplicar contra la recta numérica entera. Para un factor de 2, 0 se convierte en 0, 1 -> 2, 2 -> 4, 3-> 6. El interno entre galaxias aumentó solo de 1 a 2, pero la distancia a las galaxias padre se acumula, como lo demuestra 3 -> 6 es mayor que la expansión entre galaxias.

Ahora, solo recuerda que cero es arbitrario. Cada número es el centro de una recta numérica infinita. Tan lejos, las galaxias nos ven alejándonos.

Una forma de ver esto es que es la característica de lo que sucede en una explosión. Los trozos de cosas que se alejan del explosivo más rápido, alejarse de ti es así de simple.

También resulta que si eres algo que se ha volado con la velocidad media, esas cosas que fueron voladas más rápido de lo que seguramente estarás más lejos de ti y aquellas cosas que fueron voladas más lentamente de lo que eres alejarse de más rápido. Entonces, no importa dónde se encuentre en la explosión, todo se aleja de usted.

La expansión del universo hace que las cosas allí se separen y cuanto mayor sea la distancia, mayor será la expansión.

La expansión es causada por la energía oscura que tiene una densidad constante. Ahora la cantidad de energía oscura sería mayor entre las galaxias que están muy separadas en comparación con las galaxias que están más cerca. La densidad es la misma en ambos casos, la expansión del espacio en el primer caso sería mayor que en el último y la galaxia lejana se vería moviéndose más y más rápido de nosotros.

Pero esto no significa que somos el centro del universo, para ser verdad, somos el centro de nuestras observaciones del universo. Si fuiste a esa galaxia lejana de alguna manera, verás

Según la física, un objeto debe mantener su velocidad original a menos que algo lo bloquee o se le agregue una fuerza para aumentar la velocidad.

Esa fuerza podría ser materia oscura.

Tal vez lo hacen, pero tal vez no. ¿Eh? La historia completa está aquí: Acerca de

Media historia: la teoría más rápida podría ser la teoría más grande y rápida. Puedes ver un camión grande que viene hacia ti mucho más fácil que una mosca (a la misma distancia). De todos modos, sugerí bien la gravedad como una explicación alternativa. Las masas más grandes (estrellas) tienen pozos de gravedad más grandes, etc.

Se alejan más porque hay más espacio entre ellos. El espacio se expande a un ritmo constante, por lo que cuanto más espacio intermedio, más rápido se aleja.