遠方の天体は拡大して見えるべきではないのか？
(astronomy.stackexchange.com)- 宇宙膨張では、距離が遠いほど常に小さく見えるわけではなく、ある点を過ぎると 角径距離の折り返し点 のため再び大きく見えることがある
- 標準 ΛCDM モデルでは、折り返し点は赤方偏移約 1.5、距離約 150億光年、光の移動時間約 100億年付近にある
- ビッグバン後 4億年 時点の銀河は現在の距離で約 320億光年にあるが、見かけの大きさは約 27億光年離れた銀河と似ている場合がある
- 近い銀河は大きく明るく見え、さらに遠い銀河は小さくなり、非常に遠い銀河は再び 大きく、暗く、赤く 見えると理解できる
- これらの距離は宇宙膨張パラメータに敏感な丸め値であり、計算例は Ned Wright の計算機 に基づいている
角径距離の折り返し点
- 空間そのものが膨張するなら 非常に遠い天体 は拡大して見えるべきか、という疑問から出発する
- 例として JWST が観測した、ビッグバン後約 4億年時点の銀河が登場する
- 効果が観測可能な地平線の外でのみ目立つのか、当時の空間スケールが現在とどれほど違ったのかもあわせて扱う
標準 ΛCDM における基準点
- 宇宙膨張モデルではこの現象は実際に起こり得て、Angular diameter distance turnaround または turnover と呼ばれる
- 一般的な ΛCDM モデルでは、折り返し点はおおよそ次の範囲にある
- 赤方偏移約 1.5
- 距離約 150億光年
- 光の移動時間約 100億年
- ビッグバン後約 40億年
- この距離は空間膨張の影響により、光の移動時間だけから単純換算した距離より大きい
- 数値は宇宙膨張パラメータに敏感なため、丸め値 と見なすべきである
JWST 初期銀河の例
- ビッグバン後約 4億年 時点の銀河は、現在の距離で約 320億光年 に相当する
- 見かけの大きさだけを見ると、この銀河は約 27億光年 離れた銀河と似て見えることがある
- この計算値は Ned Wright の計算機 で得られる例として使われている
視覚的理解に役立つ資料
- xkcd 2622 はこの現象を図で示す例である
- 図では近い「銀河」は 大きく明るく、より遠い銀河は 小さく、非常に遠い銀河は 大きく、暗く、赤く 描かれている
- より詳しい説明は Understanding The Turnover Point of Angular Diameter Distance で見られる
- 同じフォーラムの Can the difference between a star and a galaxy which are point sources be detected? の回答にある図表も、この現象の理解に役立つ
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
「Expanding Confusion」(2003)という教育向け論文 [0]https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf は、この話題の古典なので読む価値がある
物体基準で加速膨張する宇宙 [1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-expansion-n... と、固定された有限の光速をユークリッド的な頭の中に同時に収めようとすると、混乱してもおかしくない
図を描きながら、直感に反する結論を手で苦労して導き出す過程を楽しむ覚悟が必要
これを思い出す: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
相対論的速度で動くと、実際には直進していても観測者には回転しているように見え、場合によっては物体の裏側まで見える
物体の異なる部分から出た光が観測者に届くまでに時間差が生じるため
遠い側から来る光はより長くかかり、その間も物体は動き続ける
だから物体の裏側が見えるのは、その裏側から出た光が移動している間に、物体の後部がその光の経路から外れるため
光に近い速度で動く物体の形は、観測者には平たく「押しつぶされた」ように見えるのではなく、回転したように見えるということ
宇宙マイクロ波背景放射をこの現象の極限と見なしても筋は通るだろうか？
ビッグバンの名残が最大限に拡大され、現在可能な限り赤方偏移した状態だと見られるのか気になる
この代替案では、宇宙が光に対して透明になった時点は背景放射に現れた瞬間より少し前で、それより「さらに遠い」ものはすべて私たちの光円錐の外で起きたことになる
つまり技術的な意味での「elsewhere」だ (https://web.phys.ksu.edu/fascination/Interlude1.pdf)
この代替案では、宇宙の膨張を、私たちの光円錐の外側の物質と内側の物質との間の重力的な引力として説明できるようにも見える
おそらく、なぜこれではないのかという論証があるのだろうが、それはよく知らない
なぜ歴史のまさにその時点でなければならないのか、説明が必要になる
最大距離は一定で、「最も遠い過去」の地点が時間的に前へ移動するにつれ、宇宙マイクロ波背景放射が私たちのまだ気づいていない形で微妙に変化しているのだろうか
あるいは、その時点で何らかの理由により光速が変わり、残りの宇宙が私たちの視界から切り取られたのかもしれない
いいね。授業で聞いても深く考えずに流してしまう話題があるが、誰かが「ちょっと待って」と立ち止まらせてくれるまで、どれほど気が遠くなるものか分からない
ポインティング・ベクトルの解釈もその一例
さらに一歩進めてみよう。望遠鏡が十分に大きく、センサーが十分に高感度だと仮定すると、最深宇宙の構造はどう見えるのだろうか？
銀河が形成される前の、銀河より小さいが空の巨大な領域を占める構造があるのだろうか？
過去のある時点の構造が空で大きすぎる面積を占めるため、数個しか「収まらない」ようなことがあり、その場合、計算上の理由を、当時私たちに観測可能だった宇宙領域がそれだけ小さかったからだと同等に説明できるのだろうか？
実際の画像は簡単に見つかる
問題は、それらが私たちに見える最古の光子ではあるものの、それでも宇宙年齢が約40万年だった頃のもので、その時点で宇宙の幅は1億光年ほどあったという点だ
その画像は宇宙がほぼ完全に均質だったことを示しており、質問しているような構造は基本的になかった
さらに遠くを見るには光子を完全に諦め、おそらく重力波で超初期宇宙を探査する必要がある
重力波なら、それ以前の完全に不透明だった宇宙まで見せてくれるはずだ
今は重力波観測所で宇宙で最も明るく騒がしい出来事だけを「見たり/聞いたり」できるが、それが可能だという事実自体が驚きだ
人類は、既知のどんな生命体も持たない新しい感覚を作ったわけで、LISAプロジェクトはさらに多くのものを聞けるようになるだろう
興味深い。関連する質問がある。直径22万光年のアンドロメダを見るとき、私たちは少し横から見ている
銀河はその22万光年の間に私たちに対して動いているのだから、奥側の縁の星々は手前側の縁の星々より、空の中で相対的に別の位置にあるべきではないだろうか？
こういう遠方の物体を観測するときにいつも引っかかるのが時間遅れだ
光が片道を進むのに4光年かかるなら、それは出発点の観測者基準であって、私たちが観測する光子の立場では4年よりずっと短いのでは？ そもそも「年」で語れるのか？
だから望遠鏡でアルファ・ケンタウリを見ると、本当に4年前のアルファ・ケンタウリを見ているのだろうか？ もっと最近ではないのか？
あるいは30歳の人がアルファ・ケンタウリから地球まで光速で移動したら、到着時には約31歳になっていて4年後に到着し、実質的に未来へ時間旅行したことになるのだろうか？ すぐ戻れば、アルファ・ケンタウリの人々は8年後に戻ってきた約32歳の人に会うのだろうか？
だとすれば、Supermanが地球の周りをものすごく速く飛んで時間旅行しようとした考えは、向きが過去ではなく未来だっただけで正しかったのかもしれない
いつかどこかの億万長者が、太陽系の周りを何十年も超高速で回って、1世紀ほど飛び越えようとするかもしれない
Alpha Centauri と地球の間を移動する光子は時間を経験しないので、事実上ただちに到着する
しかし観測者である私たちには、その移動に4年かかったように見える
それが最近かどうかは相対的な問題なので、大きな意味はない
光子の立場では最近であり、私たちの立場ではその光は4年前のものだ
そうなると、そのような物体は検出がより難しくなりそうだ。光がより広い領域に広がり、検出器の各ピクセルに届く光の量が、拡大されていない場合より少なくなるからだ
逆に言えば、本来は見えなかった細部構造が見えるようになるという意味でもある
これはかなり衝撃的だ。リンク先の xkcd はこの効果を見事に、あるいは誇張気味に示している
鏡の中の物体は、見た目より遠くにある場合がある
明るさを上げて拡大してみて