Galakserne – de store samlinger af stjerner, der befolker vores univers – findes over det hele. Men hvor mange galakser er der egentlig i universet? At tælle dem virker som en umulig opgave. Det rene antal er et problem – når først tællingen kommer op i milliarder, tager det et stykke tid at lave additionen. Et andet problem er begrænsningerne i vores instrumenter. For at få det bedste udsyn skal et teleskop have en stor åbning (diameteren på hovedspejlet eller linsen) og være placeret over atmosfæren for at undgå forvrængning fra jordens luft.
Det måske mest genkendelige eksempel på dette faktum er Hubble eXtreme Deep Field (XDF), et billede, der er lavet ved at kombinere 10 års fotografier fra Hubble-rumteleskopet. Teleskopet holdt øje med en lille plet på himlen i gentagne besøg i i alt 50 dage, ifølge NASA. Hvis du holdt din tommelfinger i armslængde for at dække månen, ville XDF-området være på størrelse med et knappenålshoved. Ved at opsamle svagt lys i løbet af mange timers observation afslørede XDF tusindvis af galakser, både nærliggende og meget fjerne, hvilket gjorde det til det dybeste billede af universet, der nogensinde er blevet taget på det tidspunkt. Så hvis denne ene lille plet indeholder tusindvis af galakser, så forestil dig, hvor mange flere galakser der kan findes i andre pletter.
Selv om skønnene blandt forskellige eksperter varierer, er et acceptabelt interval mellem 100 milliarder og 200 milliarder galakser, siger Mario Livio, astrofysiker ved Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. Når James Webb-rumteleskopet opsendes i 2020, forventes observatoriet at afsløre endnu flere oplysninger om de tidlige galakser i universet.
Gå i dybden
Så vidt Livio ved, er Hubble det bedste instrument, der findes til optælling og vurdering af galakser. Teleskopet, der blev opsendt i 1990, havde oprindeligt en forvrængning på sit hovedspejl, som blev rettet under et besøg af en rumfærge i 1993. Hubble gennemgik også flere opgraderinger og servicebesøg indtil den sidste rumfærgemission der i maj 2009.
I 1995 rettede astronomer teleskopet mod, hvad der så ud til at være et tomt område i Ursa Major, og indsamlede 10 dages observationer. Resultatet var anslået 3.000 svage galakser i et enkelt billede, der gik så svagt som 30. størrelsesgrad. (Til sammenligning er Nordstjernen eller Polaris omkring 2. størrelsesgrad.) Dette sammensatte billede blev kaldt Hubble Deep Field og var det længste, nogen havde set ud i universet på det tidspunkt.
I takt med at Hubble-teleskopet fik opgraderet sine instrumenter, gentog astronomerne eksperimentet to gange. I 2003 og 2004 skabte forskerne Hubble Ultra Deep Field, som i en eksponering på en million sekunder afslørede omkring 10.000 galakser i et lille område i stjernebilledet Fornax.
I 2012 brugte forskerne, igen ved hjælp af opgraderede instrumenter, teleskopet til at se på en del af det Ultra Deep Field. Selv i dette smallere synsfelt var astronomerne i stand til at opdage omkring 5.500 galakser. Forskerne kaldte dette for eXtreme Deep Field.
I alt afslører Hubble omkring 100 milliarder galakser i universet, men dette tal vil sandsynligvis stige til omkring 200 milliarder, efterhånden som teleskopteknologien i rummet forbedres, sagde Livio til Space.com.
Tælle stjerner
Hvilket instrument der end anvendes, er metoden til at estimere antallet af galakser den samme. Man tager den del af himlen, der er afbilledet af teleskopet (i dette tilfælde Hubble). Derefter kan man – ved hjælp af forholdet mellem den del af himlen og hele universet – bestemme antallet af galakser i universet.
“Dette forudsætter, at der ikke er nogen stor kosmisk varians, at universet er homogent,” siger Livio. “Vi har gode grunde til at formode, at det er tilfældet. Det er det kosmologiske princip.”
Princippet stammer tilbage fra Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Einstein sagde, at tyngdekraften er en forvrængning af rum og tid. Med den forståelse i hånden forsøgte flere videnskabsmænd (herunder Einstein) at forstå, hvordan tyngdekraften påvirkede hele universet.
“Den enkleste antagelse er, at hvis man så universets indhold med et tilstrækkeligt dårligt syn, ville det se nogenlunde ens ud overalt og i alle retninger,” udtalte NASA. “Det vil sige, at stoffet i universet er homogent og isotropt, når der beregnes et gennemsnit over meget store skalaer. Dette kaldes det kosmologiske princip.”
Et eksempel på det kosmologiske princip i praksis er den kosmiske mikrobølgebaggrund, en stråling, der er en rest af universets tidlige stadier efter Big Bang. Ved hjælp af instrumenter som NASA’s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe har astronomer fundet ud af, at CMB er stort set identisk, uanset hvor man ser hen.
Vil antallet af galakser ændre sig med tiden?
Målinger af universets ekspansion – ved at se galakserne løbe væk fra os – viser, at det er omkring 13,82 milliarder år gammelt. Efterhånden som universet bliver ældre og større, vil galakserne imidlertid fjerne sig længere og længere væk fra Jorden. Det vil gøre dem sværere at se i teleskoper.
Universet udvider sig hurtigere end lysets hastighed (hvilket ikke overtræder Einsteins hastighedsgrænse, fordi udvidelsen er af selve universet og ikke af objekter, der rejser gennem universet). Desuden accelererer universet i sin udvidelse.
Det er her, at begrebet “det observerbare univers” – det univers, som vi kan se – kommer ind i billedet. Om 1 trillion til 2 trillioner år, sagde Livio, betyder det, at der vil være galakser, der ligger uden for det, vi kan se fra Jorden.
“Vi kan kun se lys fra galakser, hvis lys har haft tid nok til at nå os”, sagde Livio. “Det betyder ikke, at det er alt, hvad der er i universet. Derfor er definitionen af det observerbare univers.”
Galakser ændrer sig også over tid. Mælkevejen er på kollisionskurs med den nærliggende Andromeda-galakse, og begge vil smelte sammen om ca. 4 milliarder år. Senere vil andre galakser i vores lokalgruppe – de galakser, der ligger tættest på os – også slutte sig sammen. Indbyggerne i denne fremtidige galakse vil have et meget mørkere univers at observere, sagde Livio.
“Civilisationer, der startede dengang, ville ikke have noget bevis for, at der var et univers med 100 milliarder galakser,” sagde han. “De ville ikke se udvidelsen. De ville sandsynligvis ikke kunne se, at der var et Big Bang.”
Hvad med andre universer?
Da det tidlige univers blev oppustet, er der nogle teorier, der siger, at forskellige “lommer” brød ud og dannede forskellige universer. Disse forskellige steder kunne ekspandere med forskellige hastigheder, indeholde andre typer stof og have andre fysiske love end vores eget univers.
Livio påpegede, at der kunne være galakser i disse andre universer – hvis de findes – men vi har lige nu ingen mulighed for at vide det med sikkerhed. Så antallet af galakser kunne endda være større end 200 milliarder, når man tager andre universer i betragtning.
I vores eget kosmos, sagde Livio, vil astronomerne være bedre i stand til at præcisere antallet efter lanceringen af James Webb-rumteleskopet (som hans institut vil stå for missionens drift og videnskab). Hubble er i stand til at kigge tilbage på galakser, der blev dannet omkring 450 millioner år efter Big Bang. Når James Webb bliver opsendt i 2020, forventer astronomerne, at de kan se så langt tilbage som 200 millioner år efter Big Bang.
“Tallene vil ikke ændre sig meget,” tilføjede Livio og påpegede, at de første galakser sandsynligvis blev dannet ikke så længe før det. “Så et tal som 200 milliarder er sandsynligvis det for vores observerbare univers.”
Webbs bidrag
Selv om det er interessant at tælle antallet af galakser i vores univers, er astronomer mere interesserede i, hvordan galakserne afslører, hvordan universet blev dannet. Ifølge NASA er galakserne en repræsentation af, hvordan materien i universet blev organiseret – i hvert fald på den store skala. (Forskere er også interesserede i partikeltyper og kvantemekanik, på den lille side af spektret). Fordi Webb kan se tilbage til universets tidlige dage, vil dens oplysninger hjælpe forskerne til bedre at forstå strukturerne i de galakser, der omgiver os i dag.
“Ved at studere nogle af de tidligste galakser og sammenligne dem med nutidens galakser, kan vi måske forstå deres vækst og udvikling. Webb vil også give forskerne mulighed for at indsamle data om de typer af stjerner, der fandtes i disse meget tidlige galakser,” siger NASA om Webb-missionen. “Opfølgende observationer ved hjælp af spektroskopi af hundreder eller tusinder af galakser vil hjælpe forskerne med at forstå, hvordan grundstoffer, der er tungere end brint, blev dannet og opbygget, efterhånden som galaksedannelsen fortsatte gennem tiderne. Disse undersøgelser vil også afsløre detaljer om galakser, der smelter sammen, og kaste lys over selve galaksedannelsesprocessen.”
Ifølge NASA er her nogle af de vigtigste spørgsmål, som Webb vil besvare om galakser:
- Hvordan dannes galakser?
- Hvad giver dem deres form?
- Hvordan fordeles de kemiske grundstoffer i galakserne?
- Hvordan påvirker de centrale sorte huller i galakserne deres værtsgalakser?
- Hvad sker der, når små og store galakser kolliderer eller slutter sig sammen?
Videnskabsfolk er også interesserede i den rolle, som mørkt stof spiller i sammensætningen af galakserne. Mens noget af universet er synligt i form af f.eks. galakser eller stjerner, er det mørke stof det, der udgør det meste af universet – omkring 80 procent af det. Mens mørkt stof er usynligt i bølgelængder af lys eller gennem emissioner af energi, viste undersøgelser af galakser tilbage fra 1950’erne, at der var langt mere masse til stede i dem, end hvad der var synligt med det blotte øje.
“Computermodeller, som forskere har lavet for at forstå galaksedannelsen, viser, at galakser skabes, når mørkt stof smelter sammen og klumper sig sammen,” siger NASA. “Man kan betragte det som universets stillads. Det synlige stof, som vi ser, samler sig inde i dette stillads i form af stjerner og galakser. Den måde, som mørkt stof ‘klumper’ sig sammen på, er, at små objekter dannes først og derefter trækkes sammen for at danne større objekter.”
Webbs kraftige spejle vil give forskerne mulighed for at se på galaksedannelsen – herunder den rolle, som mørkt stof spiller – på tæt hold. Selv om denne undersøgelse ikke direkte giver svar på, hvor mange galakser der er i universet, hjælper den forskerne til bedre at forstå processerne bag de galakser, vi ser, hvilket igen giver bedre information om modellerne for galaktiske populationer.