Galaxie – obrovské soubory hvězd, které obývají náš vesmír – jsou všude. Kolik je však ve vesmíru galaxií? Spočítat je se zdá být nemožným úkolem. Samotný počet je jeden problém – jakmile se počet dostane do miliard, sčítání chvíli trvá. Dalším problémem je omezenost našich přístrojů. Aby teleskop získal co nejlepší výhled, musí mít velkou aperturu (průměr hlavního zrcadla nebo objektivu) a musí být umístěn nad atmosférou, aby nedocházelo ke zkreslení zemským vzduchem.
Možná nejzvučnějším příkladem této skutečnosti je Hubbleovo eXtrémně hluboké pole (XDF), snímek vzniklý spojením 10 let pořízených fotografií z Hubbleova vesmírného dalekohledu. Teleskop podle NASA sledoval malý kousek oblohy při opakovaných návštěvách celkem 50 dní. Pokud byste drželi palec na délku paže, abyste pokryli Měsíc, oblast XDF by byla velká asi jako špendlíková hlavička. Díky shromažďování slabého světla po mnoho hodin pozorování odhalil XDF tisíce galaxií, blízkých i velmi vzdálených, a stal se tak nejhlubším snímkem vesmíru, jaký byl kdy v té době pořízen. Pokud tedy tato jediná malá skvrna obsahuje tisíce galaxií, představte si, kolik dalších galaxií by se mohlo nacházet v jiných skvrnách.
Ačkoli se odhady různých odborníků liší, přijatelné rozmezí je 100 až 200 miliard galaxií, řekl Mario Livio, astrofyzik z Space Telescope Science Institute v Baltimoru ve státě Maryland. Očekává se, že až bude v roce 2020 spuštěn vesmírný dalekohled Jamese Webba, odhalí tato observatoř ještě více informací o raných galaxiích ve vesmíru.
Do hloubky
Podle Liviových znalostí je Hubbleův dalekohled nejlepším dostupným přístrojem pro počítání a odhadování galaxií. Dalekohled, který byl vypuštěn v roce 1990, měl zpočátku deformaci hlavního zrcadla, která byla opravena během návštěvy raketoplánu v roce 1993. Hubble také prošel několika modernizacemi a servisními návštěvami až do poslední mise raketoplánu v květnu 2009.
V roce 1995 astronomové zaměřili dalekohled na zdánlivě prázdnou oblast v souhvězdí Ursa Major a shromáždili 10 dní pozorování. Výsledkem bylo odhadem 3 000 slabých galaxií v jediném snímku, které dosahovaly až 30. magnitudy. (Pro srovnání: Severka neboli Polárka má přibližně 2. magnitudu.) Tato kompozice snímků byla nazvána Hubbleovo hluboké pole a byla v té době nejvzdálenějším pohledem do vesmíru.
Když Hubbleův dalekohled dostal vylepšení svých přístrojů, astronomové experiment dvakrát zopakovali. V letech 2003 a 2004 vědci vytvořili Hubbleovo ultrahluboké pole, které během milionové expozice odhalilo asi 10 000 galaxií v malé skvrně v souhvězdí Fornax.
V roce 2012, opět s využitím modernizovaných přístrojů, vědci použili dalekohled k pozorování části ultrahlubokého pole. I v tomto užším zorném poli se astronomům podařilo objevit přibližně 5 500 galaxií. Vědci toto pole nazvali eXtrémně hluboké pole (eXtreme Deep Field).
Celkově Hubble odhalil přibližně 100 miliard galaxií ve vesmíru, ale toto číslo se pravděpodobně zvýší na přibližně 200 miliard, jak se zdokonaluje technologie teleskopů ve vesmíru, řekl Livio pro Space.com.
Počítání hvězd
Ať už se použije jakýkoli přístroj, metoda odhadu počtu galaxií je stejná. Vezme se část oblohy zobrazená teleskopem (v tomto případě Hubbleovým). Pak – pomocí poměru tohoto kousku oblohy k celému vesmíru – můžete určit počet galaxií ve vesmíru.
„To je za předpokladu, že neexistuje žádná velká kosmická odchylka, že vesmír je homogenní,“ řekl Livio. „Máme dobré důvody se domnívat, že tomu tak je. To je kosmologický princip.“
Tento princip pochází z dob obecné teorie relativity Alberta Einsteina. Einstein tvrdil, že gravitace je zkreslením prostoru a času. S tímto poznatkem se několik vědců (včetně Einsteina) snažilo pochopit, jak gravitace ovlivňuje celý vesmír.
„Nejjednodušší předpoklad je, že pokud byste se na obsah vesmíru dívali dostatečně slabým zrakem, vypadal by všude a ve všech směrech zhruba stejně,“ uvedla NASA. „To znamená, že hmota ve vesmíru je při zprůměrování na velmi velkých škálách homogenní a izotropní. Tomu se říká kosmologický princip.“
Jedním z příkladů fungování kosmologického principu je kosmické mikrovlnné pozadí, záření, které je pozůstatkem raných fází vesmíru po velkém třesku. Pomocí přístrojů, jako je Wilkinsonova mikrovlnná anizotropní sonda NASA, astronomové zjistili, že CMB je prakticky stejné, ať se podíváme kamkoli.
Mění se počet galaxií s časem?
Měření rozpínání vesmíru – prostřednictvím sledování galaxií, které se od nás ženou pryč – ukazuje, že je starý asi 13,82 miliardy let. Jak však vesmír stárne a zvětšuje se, galaxie se od Země stále více vzdalují. Tím se stanou hůře pozorovatelné v dalekohledech.
Vesmír se rozpíná rychleji než rychlost světla (což neporušuje Einsteinovu rychlostní hranici, protože se jedná o rozpínání samotného vesmíru, nikoliv o rozpínání objektů putujících vesmírem). Také vesmír se ve svém rozpínání zrychluje.
Tady vstupuje do hry pojem „pozorovatelný vesmír“ – vesmír, který můžeme vidět. Podle Livia to znamená, že za 1 až 2 biliony let budou existovat galaxie, které se nacházejí za hranicemi toho, co můžeme vidět ze Země.
„Vidíme pouze světlo z galaxií, jejichž světlo mělo dostatek času, aby k nám dorazilo,“ řekl Livio. „To ale neznamená, že to je vše, co ve vesmíru je. Z toho vyplývá definice pozorovatelného vesmíru.“
Galaxie se také mění v čase. Mléčná dráha je na kolizním kurzu s blízkou galaxií v Andromedě a obě se asi za 4 miliardy let spojí. Později se nakonec spojí i další galaxie v naší Místní skupině – galaxie, které jsou nám nejblíže. Obyvatelé této budoucí galaxie budou mít k pozorování mnohem temnější vesmír, řekl Livio.
„Civilizace, které by tehdy začaly, by neměly žádné důkazy o tom, že existuje vesmír se 100 miliardami galaxií,“ řekl. „Neviděly by rozpínání. Pravděpodobně by nebyli schopni říct, že došlo k velkému třesku.“
A co jiné vesmíry?
Jak se raný vesmír nafukoval, existují teorie, podle kterých se různé „kapsy“ odtrhly a vytvořily různé vesmíry. Tato různá místa by se mohla rozpínat různou rychlostí, mohla by obsahovat jiné typy hmoty a platit v nich jiné fyzikální zákony než v našem vesmíru.
Livio upozornil, že v těchto jiných vesmírech – pokud existují – by mohly být galaxie, ale v tuto chvíli to nemůžeme s jistotou vědět. Takže počet galaxií by mohl být dokonce větší než 200 miliard, pokud vezmeme v úvahu jiné vesmíry.
V našem vlastním vesmíru, řekl Livio, budou astronomové schopni lépe upřesnit počet po vypuštění vesmírného dalekohledu Jamese Webba (pro který bude jeho institut řídit provoz mise a vědu). Hubble je schopen nahlédnout do galaxií, které vznikly asi 450 milionů let po velkém třesku. Po vypuštění Jamese Webba v roce 2020 astronomové předpokládají, že se budou moci podívat až 200 milionů let po velkém třesku.
„Čísla se příliš nezmění,“ dodal Livio a upozornil, že první galaxie pravděpodobně vznikly nedlouho předtím. „Takže číslo jako 200 miliard je pro náš pozorovatelný vesmír pravděpodobně ono.“
Webbův příspěvek
Přestože je zajímavé spočítat počet galaxií v našem vesmíru, astronomy více zajímá, jak galaxie odhalují, jak se vesmír formoval. Podle NASA jsou galaxie obrazem toho, jak byla hmota ve vesmíru uspořádána – alespoň ve velkém měřítku. (Vědci se také zajímají o typy částic a kvantovou mechaniku, na malé straně spektra). Protože Webb může nahlédnout až do počátků vesmíru, pomohou jeho informace vědcům lépe pochopit strukturu galaxií, které nás obklopují dnes.
„Studiem některých nejstarších galaxií a jejich porovnáním s dnešními galaxiemi budeme možná schopni pochopit jejich růst a vývoj. Webb rovněž umožní vědcům shromáždit údaje o typech hvězd, které existovaly v těchto velmi raných galaxiích,“ uvedla NASA k Webbově misi. „Následná pozorování pomocí spektroskopie stovek či tisíců galaxií pomohou vědcům pochopit, jak se v průběhu věků formovaly a vytvářely prvky těžší než vodík. Tyto studie také odhalí podrobnosti o splývajících galaxiích a vrhnou světlo na samotný proces vzniku galaxií.“
Podle NASA jsou zde některé z klíčových otázek, které Webb zodpoví o galaxiích:
- Jak vznikají galaxie?
- Co jim dává jejich tvar?
- Jak jsou v galaxiích rozloženy chemické prvky?
- Jak centrální černé díry v galaxiích ovlivňují své hostitelské galaxie?
- Co se stane, když se malé a velké galaxie srazí nebo spojí?
Vědce také zajímá, jakou roli hraje temná hmota při sestavování galaxií. Zatímco část vesmíru je viditelná v podobě galaxií nebo hvězd, temná hmota tvoří většinu vesmíru – asi 80 procent. Zatímco temná hmota je neviditelná ve vlnových délkách světla nebo prostřednictvím vyzařování energie, studie galaxií z 50. let 20. století naznačily, že je v nich přítomno mnohem více hmoty, než kolik je viditelné pouhým okem.
„Počítačové modely, které vědci vytvořili, aby pochopili vznik galaxií, naznačují, že galaxie vznikají při slučování a shlukování temné hmoty,“ uvedla NASA. „Lze si ji představit jako lešení vesmíru. Viditelná hmota, kterou vidíme, se shromažďuje uvnitř tohoto lešení v podobě hvězd a galaxií. Temná hmota se ‚shlukuje‘ tak, že nejprve vznikají malé objekty, které jsou přitahovány k sobě a vytvářejí větší objekty.“
Výkonná zrcadla Webbovy sondy umožní vědcům podívat se na formování galaxií – včetně role temné hmoty – zblízka. Toto zkoumání sice přímo neodpovídá na otázku, kolik galaxií se ve vesmíru nachází, ale pomáhá vědcům lépe pochopit procesy, které stojí za vznikem galaxií, které vidíme, což následně lépe napoví modelům galaktických populací.