Astronomía

¿Se mueven las galaxias en cada dirección con la misma velocidad?

¿Se mueven las galaxias en cada dirección con la misma velocidad?


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Todas las galaxias se están alejando unas de otras (nosotros) debido a la expansión del universo.

¿Se mueven con la misma velocidad en cada dirección?


¿Se mueven las galaxias en cada dirección con la misma velocidad?

Versión corta: localmente, No. En la escala cósmica, sí-ish.

Los movimientos de las galaxias son más complejos de lo que sugiere esta pregunta.

Empecemos por la Vía Láctea. Desde nuestro punto de vista estacionario.

Pero la Vía Láctea es parte de un grupo de galaxias (el grupo local). Básicamente se mueven en sus campos gravitacionales mutuos. Incluso ese campo se complica por el campo gravitacional de los halos de materia oscura, que son invisibles (no se pueden observar directamente).

Pero el grupo local no es el único grupo que existe. El grupo local es parte de una agrupación aún mayor conocida como Supercluster Virgo. Nuevamente, los movimientos de estos grupos son complejos y nuevamente la materia oscura juega un papel.

El grupo local contiene 54 galaxias, y el supercúmulo contiene algo del orden de 100 de esos grupos. Eso es aproximadamente 5400 galaxias en un movimiento bastante complejo. No hay una dirección fácil de localizar aquí.

Pero se cree que el universo a mayor escala se rige por lo que se conoce como la métrica FLRW, que (con materia oscura, energía oscura y algunos ajustes) se ajusta a la expansión general del universo que vemos.

Es solo en esa escala (esencialmente todo el universo excluyendo los bits más cercanos) que ves el tipo de patrón al que te refieres. Entonces, los bits locales son quizás 5400 galaxias, pero el resto del universo es aproximadamente dos trillón galaxias. Entonces, nuestra parte local es enorme e inimaginable en nuestra escala, pero en la escala que aplica FLRW es un punto microscópico perdido en los promedios.

FLRW es el resultado del uso de la relatividad general para modelar la expansión del universo. Predice (cuando lo emparejas con las condiciones de nuestro universo) que desde alguna punto, todo lo demás se alejará de usted (y ahora pensamos que se alejará acelerando).

Existe una aparente contradicción entre estos dos extremos (grupo local y universo alejado de eso). La resolución de esto es que FLRW ignora la agrupación local y las irregularidades y asume una buena distribución continua (las galaxias ni siquiera aparecen en esta gran escala). En esa escala local, los campos gravitacionales (actualmente) son lo suficientemente grandes como para superar la expansión, por lo tanto, nuestra galaxia más cercana (Andrómeda) se está acercando a nosotros, no alejándose. Pero cuanto más se aleja, más grandes se vuelven los efectos generales predichos por FLRW y dominan los efectos gravitacionales "normales".

FLRW no dice que todos se alejen a la misma velocidad. Depende de la distancia: más lejos = movimiento más rápido. Así que no es la misma velocidad, pero desde todos los puntos de vista del universo el mismo patrón de más rápido cuando más lejos.


El espacio se está expandiendo entre sistemas no ligados gravitacionalmente, como las galaxias. Cuanto mayor sea el espacio entre ellos, mayor será la expansión. Se cree que hay galaxias tan lejanas que nunca veremos su luz, ya que el espacio entre nosotros y ellas se expande más rápido de lo que su luz viaja hacia nosotros. Sin embargo, esto no significa que todas las galaxias se estén alejando unas de otras. De hecho, la galaxia de Andrómeda y nuestra Vía Láctea se están acercando y se espera que colisionen en 4 a 5 mil millones de años.

Encuentro útil separar las observaciones del modelo y la interpretación. La observación fue que había una curiosa tendencia lineal entre la distancia a la Tierra y la velocidad. Esta fue simplemente una observación hecha en galaxias que pudimos ver. No se esperaría tal tendencia en datos aleatorios. De hecho, sugeriría que en realidad podríamos ser el centro del universo, ya que todos se expanden fuera de nosotros.

Por supuesto, esa no es la interpretación popular. No nos gusta asumir que somos tan especiales. En cambio, se identificó que las teorías relativistas modernas permitían que el espacio se expandiera. Si el espacio mismo se estuviera expandiendo, entonces una relación lineal como la que vemos desde la Tierra se vería desde todas partes. Esta es la interpretación preferida: $ v = H_0d $ se ve como evidencia de que el espacio en sí se está expandiendo (y llevando la materia a dar un paseo).


2 respuestas 2

Las galaxias interactúan entre sí debido a su gravitación mutua.

Si la materia se hubiera distribuido exactamente de manera uniforme después del Big Bang, las galaxias no colisionarían, pero de todos modos no habría galaxias. Se cree que las inhomogeneidades en la distribución de la materia se originan a partir de fluctuaciones cuánticas que ocurrieron cuando terminó la inflación. Algunas regiones terminaron con una densidad de materia superior a la media y algunas con una densidad de materia inferior a la media. En las regiones sobredensas, la gravedad mutua de la materia superó la expansión del espacio-tiempo y esas regiones colapsaron para formar supercúmulos de galaxias, luego cúmulos y luego galaxias. Dentro de un cúmulo de galaxias, las galaxias tienen velocidades esencialmente aleatorias entre sí, razón por la cual a veces hay colisiones.


LOS MOVIMIENTOS DEL SOL, ESTRELLAS Y GALAXIAS

El Sol también está en movimiento. Gira sobre su eje, como lo hace la Tierra, y tarda aproximadamente un mes en hacer una rotación completa en su ecuador. También viaja en una órbita enorme, aproximadamente circular, que le lleva una vez alrededor de la Galaxia en unos 230 millones de años. Esto corresponde a una velocidad de aproximadamente 500.000 mi / h. Los objetos más cercanos al centro de la galaxia también orbitan alrededor del centro, pero toman menos tiempo. Y los objetos más alejados del centro que el Sol tardan más en dar la vuelta. Toda nuestra galaxia está girando. Las partes internas completan sus órbitas en menos tiempo que las partes externas (ver Figura 4.5 y Figura 4.6 animada). Este movimiento hace que los patrones de las estrellas en el cielo cambien muy lentamente durante millones de años. Además de este movimiento promedio, las estrellas de la Galaxia también pueden tener velocidades aleatorias en áreas locales. La velocidad relativa entre las estrellas cercanas es típicamente de unos 10 km / s, o 20.000 mi / h. Esto parece muy rápido, pero aún tomaría mucho tiempo notar el cambio porque las distancias que separan las estrellas entre sí son muy grandes.

Figura 4.5: Las velocidades orbitales reales medidas de las estrellas dentro de una galaxia típica en función de su distancia desde el centro de la galaxia (en años luz). Crédito: NASA / SSU / Aurore Simonnet.

Figura animada 4.6 Rotación galáctica.

El movimiento no termina con nuestra galaxia girando. Como se descubrió a principios del siglo XX, todas las demás galaxias que vemos se mueven en relación con la nuestra, y la mayoría de ellas se alejan de nosotros. Entonces, ¿esto hace que nuestra Galaxia sea el centro del Universo, con todo movimiento alejándose de ese centro? Como aprenderemos en capítulos posteriores, no es así. De hecho, no existe un centro del Universo. Pero esta observación nos da algunas ideas importantes sobre el movimiento.


Velocidad de las galaxias

Además de lo que dijo Chronos, considere que la expansión de distancias de la Ley de Hubble no es como el movimiento ordinario: nadie llega a ninguna parte con él. Nadie se acerca a ninguna meta u objetivo. Las cosas permanecen en la misma posición relativa, todo el mundo simplemente se aleja más.

El & quot; movimiento & quot; como estamos acostumbrados en la vida cotidiana, es probablemente la forma incorrecta de imaginarlo. Intenta pensar en ello como tasa de crecimiento porcentual de la distancia, y no sujeta a ningún límite de velocidad.

la física de la teoría de GR de 1915, que continúa siendo confirmada y utilizada con éxito, dice que la geometría a gran escala (no anclada a algo rígido como una roca o un sistema planetario unido, sino a una escala realmente grande) es DINÁMICA. Distancias tengo cambiar. No tienes derecho a esperar que no lo hagan. Así que la expansión de la Ley de Hubble no desafía la física. Es requerido por la física.

Si hace algunas suposiciones de uniformidad simples sobre el universo, como si las cosas estuvieran distribuidas aproximadamente de manera uniforme, resulta que la geometría DEBE expandirse o contraerse. En nuestro caso, se está expandiendo.

Las distancias están creciendo actualmente a una tasa porcentual de aproximadamente 1/144 de un por ciento por millón de años.
Así que las distancias más largas están creciendo proporcionalmente más rápido (sin que nada se mueva en el sentido habitual).
Y si considera una distancia lo suficientemente grande, por supuesto, crecerá más rápido que la velocidad de la luz. Pero eso no significa que alguien alcance y pase un fotón
No se rompe ningún límite de velocidad, no se "desafía" ninguna regla física.

Es un negocio como de costumbre para la geometría dinámica GR de 1915 y la ley de la gravedad (que ha reemplazado a la geometría rígida newtoniana y la antigua ley de la gravedad).

¿Mire el hilo pegajoso del modelo del globo, tal vez? ¿O echa un vistazo a las preguntas frecuentes sobre cosmología?

Las galaxias son impulsos lentos. Sus velocidades individuales aleatorias son lentas en comparación con la tasa de crecimiento de las distancias a gran escala.


¿Todas las galaxias giran en la misma dirección?

Desde el momento angular hasta la materia oscura, es suficiente para hacer girar la cabeza a una escala cósmica.

Preguntado por: Brian Shimell, Banstead

Si todas las galaxias se formaran a partir de la misma nube de material giratorio, podríamos esperar que sus direcciones de giro fueran las mismas. Esto es similar a los planetas del Sistema Solar, que giran todos en la misma dirección que la nube protoplanetaria a partir de la cual se formaron (excepto Venus y Urano, que probablemente se hicieron girar en la dirección opuesta debido a grandes impactos).

Pero, aunque las galaxias no se forman a partir de la misma nube de material, no se distribuyen aleatoriamente en el espacio, sino que se forman a lo largo de "filamentos" con "vacíos" en el medio. Esto significa que las protogalaxias en realidad están unidas gravitacionalmente en pequeñas áreas del Universo y esto es probablemente el resultado de la distribución de la materia oscura en todo el Cosmos. La materia en estos filamentos tiende a moverse en un movimiento de sacacorchos hacia el área de mayor densidad. El resultado de esto es que puede haber una dirección de giro preferencial para las galaxias que se forman en el mismo filamento, aunque también depende de la masa de la galaxia.

Por lo tanto, si miramos hacia el Universo, puede haber áreas que parecen tener una dirección preferencial para la rotación de las galaxias, pero promediadas en todo el Universo, su dirección de giro es en realidad aleatoria.

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Un tributo a Martin Gardner, 1914-2010

Nuestro universo se está expandiendo y los astrónomos han acumulado observaciones durante muchas décadas, lo que sugiere que otras galaxias parecen estar alejándose de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea (y entre sí) a velocidades fantásticas. Hay algunas pequeñas desviaciones de este patrón, pero si tuviera que `` mover la cámara hacia atrás '' y observar el universo como un todo, la sensación general sería que las galaxias se están alejando unas de otras, con galaxias más lejanas alejándose proporcionalmente más rápido & mdasha paradigma conocido como la Ley de Hubble.

¿Cómo sería el universo desde este punto de vista? Una buena analogía para el universo en expansión proviene de Martin Gardner, un escritor de divulgación científica que también fue columnista durante mucho tiempo de Científico americano: Imagínese una masa gigantesca con un manojo de pasas incrustadas en toda la masa que representa el espacio, y las pasas representan las galaxias. Ahora, si alguien mete la masa en el horno, se expandirá o, más exactamente, se estirará, manteniendo las mismas proporciones que tenía antes, pero con todas las distancias entre pasas aumentando con el paso del tiempo.

Los astrónomos usan algo llamado "constante Hubble" para medir qué tan rápido se está produciendo esta expansión. El valor medido de la constante de Hubble se puede escribir de muchas formas, pero la forma en que me gusta escribirlo es 0,007 por ciento por millón de años. Esto significa que cada millón de años, las distancias entre las galaxias se extienden alrededor de un 0,007 por ciento.

Entonces, ¿qué nos dice realmente este número? Por un lado, nos dice que el universo es muy antiguo. Si uno retrocediera millones de años, el universo se vería más o menos igual que ahora. Siempre que se ciña a medir galaxias dentro de, digamos, cien millones de años luz del nuestro, puede estar seguro de que el universo no habrá cambiado mucho en el tiempo que tardó la luz en viajar desde esas galaxias hasta nosotros.

Pero, ¿y si está midiendo una galaxia que está a unos pocos miles de millones de años luz de distancia? En ese caso, el universo ha cambiado significativamente a medida que viaja la luz. Los astrónomos ya no miden la Ley de Hubble para estas galaxias debido a una gran cantidad de problemas: si intentaras medir la "distancia" a una de estas galaxias, ¿qué distancia obtendrías? ¿La distancia a la que se emitió la luz? ¿O la distancia que viajó la luz para llegar hasta nosotros (que incluye una distancia adicional porque el universo se expandió mientras la luz se movía a través de él, como un corredor en una pista de carreras siempre alargada)? ¿O medirías la distancia que la galaxia está de nosotros actualmente, que es la más grande de todas? Existen problemas similares con la velocidad: la constante de Hubble cambia con el tiempo y, dependiendo de cómo cambie, las galaxias individuales pueden estar acelerando o desacelerando. Entonces, cuando habla de velocidad, ¿está hablando de la velocidad cuando se emitió la luz, la velocidad ahora o algo intermedio? En resumen, todo es un gran lío.

La forma de evitar esto es dejar de pensar en la distancia y la velocidad y concentrarse en las propiedades que los astrónomos pueden medir directamente. Una cosa que los astrónomos pueden medir en realidad es el desplazamiento al rojo y mientras la luz viaja a través del universo en expansión, la luz se estira por el mismo factor que lo hace el universo, lo que hace que aumente su longitud de onda. Dado que la luz roja tiene longitudes de onda más largas que la luz azul, esto significa que el color de la luz se moverá más hacia el extremo rojo del espectro. Y en lugar de la distancia, los astrónomos observan objetos de poder conocido dentro de las galaxias (típicamente supernovas de tipo 1a) y miden qué tan brillantes parecen. Esto es un poco como tomar una bombilla de 60 vatios y moverla a distancias cada vez más lejanas. Siempre que podamos estar seguros de que la bombilla permanece en 60 vatios, sabemos que cuanto más tenue parezca, más lejos debe estar.

El desplazamiento al rojo y el brillo pueden ser menos intuitivos que la velocidad y la distancia, pero al menos están definidos con precisión. Y también son muy útiles. Al igual que un cocinero aficionado podría descifrar la receta de pan de pasas de un restaurante horneando su propio pan una y otra vez y probando los resultados finales, los astrónomos pueden descubrir la expansión del universo del & quot; pan de pasas & quot; generando modelos teóricos para la relación entre el corrimiento al rojo y el brillo en diferentes escenarios (en particular, permitiendo que la constante de Hubble evolucione con el tiempo de diferentes maneras) y descartando los modelos que no se ajustan a los datos observados. Los resultados obtenidos durante la última década favorecen muy claramente los modelos en los que las galaxias individuales se están acelerando, en otras palabras, un universo en aceleración.


Antiguas galaxias en todas direcciones

Implicar una 'ubicación' para la 'explosión' no hace mucha diferencia. Digamos que tenemos una explosión en ## r_0 ## y todas las partículas vuelan lejos de ese centro con su 'velocidad' constante individual. Eso da como resultado la distribución de 'velocidad'

## v left (r right) = k cdot left ( derecho)##

Las 'velocidades' relativas vistas desde un punto arbitrario ## x ## son

## v ' left (r right) = v left (r right) - v left (x right) = k cdot left ( derecho)##

que es la misma distribución pero con ## x ## en el centro. Eso significa que cada observador (que no puede ver el borde exterior) puede asumir que está en el "centro" de la "explosión". Ni siquiera necesitamos 'velocidades' constantes siempre que las 'aceleraciones' tengan una distribución analógica.

El problema con este modelo no es el centro sino el borde exterior (y por supuesto la cinemática clásica).

Volvamos a la analogía de la granada. Justo antes de la explosión tienes una granada rodeada de espacio vacío. Esta no es una descripción precisa de cómo pensamos que era el universo primitivo. En lugar de una sola granada, necesitamos granadas en todas partes. Todo el espacio, en todas partes, está lleno de granadas. Hay muy poco espacio vacío, si es que hay alguno, en cualquier parte del universo.

Y eso todavía no es muy preciso, ya que la explosión simultánea de todas estas granadas no se expandiría, porque el espacio ya está (o casi) lleno.

Lo que te falta es que el "espacio en sí" se está expandiendo, lo que significa que la distancia entre todos los objetos que no están unidos por fuerzas lo suficientemente fuertes aumenta con el tiempo, sin aceleración ni aplicación de una fuerza.

No hubo explosión como tú y yo estamos acostumbrados. Eso implica el alejamiento de piezas desde un punto central. No existe tal punto central.


3 respuestas 3

Su modelo funciona bastante bien en la gravedad newtoniana. Incluso puede derivar las ecuaciones de Friedmann que describen la tasa de expansión del universo a partir de su modelo, y coinciden con las ecuaciones de la cosmología real, en el límite apropiado de $ c a infty $.

Si adapta su modelo a la relatividad general, obtiene el modelo cosmológico estándar. Si comienza con un solo objeto masivo en GR, y agrega otro cercano que se aleja de él a cierta velocidad, y agrega otro a una distancia similar de aquel que se mueve a la misma velocidad relativa, y extiéndalo hasta donde llegue. puede en todas las direcciones (ya sea hasta el infinito o hasta que el espacio se vuelva a cerrar sobre sí mismo, dependiendo de las masas, espaciamientos y velocidades), y luego suavizarlo para eliminar los & quotbumps & quot de masas individuales, lo que obtiene es la geometría FLRW que es la base para la cosmología estándar. La geometría FLRW es solo el campo gravitacional de cualquier distribución de materia homogénea e isotrópica (es decir, la misma en todas partes y en todas direcciones).

Debido a que el espacio-tiempo es curvo, no se pueden comparar directamente las velocidades de los objetos distantes, por lo que no es exactamente cierto que un objeto $ n $ veces más lejos se mueva a $ n $ veces la velocidad. Ni siquiera puedes decir directamente que está $ n $ veces más lejos. Pero hay un cierto sentido en el que la ley de Hubble es verdadera para distancias arbitrarias, porque la distribución de la materia es homogénea. Puede hacerlo más preciso definiendo la distancia entre objetos distantes como la suma de las distancias de los vecinos más cercanos entre todos los objetos intermedios a lo largo de una ruta más corta entre los objetos distantes, y definiendo la velocidad relativa como la suma de todos los objetos más cercanos. -velocidades relativas vecinas. Estas definiciones coinciden con las definiciones de distancia y velocidad normalmente utilizadas por los cosmólogos y, en términos de estas definiciones, se mantiene la ley de Hubble.

Tiene razón en que en el caso de que la materia se aleje a diferentes velocidades desde un punto dado, cualquier observador se alejaría de cualquier otro observador a una velocidad proporcional a la distancia entre ellos, es decir, la ley de Hubble también sería cierta. Si este escenario fuera cierto, significaría que nuestro Universo no sería descrito por la relatividad general (GR), que predice que el espacio es dinámico y está influenciado por la presencia de materia. En cambio, sería descrito por la relatividad especial (SR), es decir, sería un cambio Doppler puro (a menos que desee proponer un paradigma completamente nuevo para la física).

La mayoría (pero no todos) los físicos creen que la GR es una buena descripción del Universo, ya que ha pasado y sigue pasando numerosas pruebas experimentales. Pero eso no es una prueba en sí mismo.

Sin embargo, recuerde que en realidad no la medida las velocidades $ v $ de las galaxias. Medimos sus desplazamientos al rojo $ z $, y luego lo convertimos en una velocidad, dado nuestro modelo GR. En un modelo SR, la relación entre la velocidad y el corrimiento al rojo medido es diferente (puedo proporcionar las ecuaciones si es necesario). Combinando la relación velocidad-desplazamiento al rojo $ v (z) $ con la ley de Hubble, se obtiene una relación distancia-desplazamiento al rojo $ d (z) $. Esta relación, a su vez, se puede combinar con el conocimiento de cómo el flujo, o la magnitud observada, de un objeto luminoso disminuye con el corrimiento al rojo observado, $ m (z) $.

En GR, $ m (z) $ depende de las densidades de los diferentes componentes del Universo (materia y otras formas de energía), mientras que en SR, solo depende de la velocidad y, por lo tanto, de la distancia.

La siguiente figura (ligeramente modificada de Davis & amp Lineweaver (2004)) muestra las magnitudes de un conjunto de supernovas (Perlmutter et al 1999), en función de su corrimiento al rojo medido. Las tres líneas rojas muestran tres versiones diferentes del modelo GR, con diferentes densidades de materia y energía oscura. El modelo que mejor se ajusta (linea intermedia) tiene aproximadamente un 30% de materia y un 70% de energía oscura, mientras que las otras dos líneas muestran modelos de materia pura menos ajustados (línea inferior) y pura energía oscura (linea superior).

Por otro lado, la línea azul muestra la predicción SR. ¡Esta interpretación se descarta a un nivel de confianza de $ 23 sigma $!


Respuestas y respuestas

Una vez más estoy leyendo y tratando de entender más sobre las diferentes teorías del comienzo del tiempo / espacio. No sé por qué nunca pensé en esto, pero dicen que las galaxias se están alejando cada vez más. Un día no podremos verlos porque se han movido tan lejos. Mi pregunta principal es ¿cómo se aleja todo de nosotros? En retrospectiva, ¿no se estarían acercando algunas galaxias, o eso nos convierte en el centro del universo, o es una ilusión óptica?

Gracias por tu tiempo para responder.

En cuanto a las galaxias, hay dos factores. El espacio en todas partes se está expandiendo. Esto significa que los objetos distantes se alejan cada vez más unos de otros. Vemos todas las galaxias distantes alejándose de nosotros, pero también lo vería alguien en otra galaxia. Para ellos, nuestra Vía Láctea estaría retrocediendo.

Por tanto, ninguna galaxia está en el centro del universo. No tiene centro.

Pero las galaxias que no están tan lejos se atraen gravitacionalmente entre sí y se mueven unas hacia otras más rápido de lo que el espacio se expande entre ellas. Estos cúmulos locales de galaxias eventualmente colisionarán y se fusionarán. Por ejemplo, la Vía Láctea eventualmente chocará y se fusionará con la galaxia de Andrómeda.

En cuanto a las galaxias, hay dos factores. El espacio en todas partes se está expandiendo. Esto significa que los objetos distantes se alejan cada vez más unos de otros. Vemos todas las galaxias distantes alejándose de nosotros, pero también lo vería alguien en otra galaxia. Para ellos, nuestra Vía Láctea estaría retrocediendo.

Por tanto, ninguna galaxia está en el centro del universo. No tiene centro.

Pero las galaxias que no están tan lejos se atraen gravitacionalmente entre sí y se mueven unas hacia otras más rápido de lo que el espacio se expande entre ellas. Estos cúmulos locales de galaxias eventualmente colisionarán y se fusionarán. Por ejemplo, la Vía Láctea eventualmente chocará y se fusionará con la galaxia de Andrómeda.

Solo en teoría, ¿qué pasaría si estuviéramos en un planeta mirando al cielo pero estuviéramos en la galaxia más distante, la que tiene aproximadamente 14 mil millones de años, parecería que todo todavía se está alejando o viniendo hacia nosotros? Mientras hago mi investigación, he notado una cantidad incesante de información sobre otras teorías fuera del Big Bang, y la información sigue expandiéndose como parece hacerlo el universo. Aparte de las matemáticas, por dónde empezar parece una locura, solo las definiciones y explicaciones en todo esto me dejan con más preguntas que respuestas. Me encanta, ¿dónde debería dejar todas mis preguntas para no inundar el tablero del foro? ¿Algunas ideas?


Ver el vídeo: La Vía Láctea y planetas del Sistema Solar. (Mayo 2022).