Galakseja – näitä maailmankaikkeuttamme kansoittavia valtavia tähtikokoelmia – on kaikkialla. Mutta kuinka monta galaksia maailmankaikkeudessa on? Niiden laskeminen tuntuu mahdottomalta tehtävältä. Pelkät lukumäärät ovat yksi ongelma – kun luku nousee miljardeihin, yhteenlasku vie aikaa. Toinen ongelma on välineidemme rajallisuus. Saadakseen parhaan näkymän teleskoopilla on oltava suuri aukko (pääpeilin tai linssin halkaisija) ja sen on sijaittava ilmakehän yläpuolella, jotta Maan ilma ei vääristäisi näkymää.
Ehkä kaikkein puhuttelevin esimerkki tästä seikasta on Hubble eXtreme Deep Field (XDF), kuva, joka on tehty yhdistelemällä Hubble-avaruusteleskoopin kymmenen vuoden aikana otettuja valokuvia. NASAn mukaan teleskooppi tarkkaili pientä taivaankappaletta toistuvasti yhteensä 50 päivän ajan. Jos pitäisit peukalosi käsivarren pituudelta kuuta, XDF-alue olisi noin nuppineulan pään kokoinen. Keräämällä heikkoa valoa monien havaintotuntien aikana XDF paljasti tuhansia galakseja, sekä lähellä että hyvin kaukana sijaitsevia, mikä teki siitä syvimmän kuvan maailmankaikkeudesta, joka tuolloin oli koskaan otettu. Jos siis tuossa yksittäisessä pienessä pisteessä on tuhansia galakseja, kuvitelkaa, kuinka paljon enemmän galakseja voisi löytyä muista pisteistä.
Ma eri asiantuntijoiden arviot vaihtelevat, mutta hyväksyttävä vaihteluväli on 100 miljardin ja 200 miljardin galaksin välillä, sanoo Mario Livio, astrofyysikko Space Telescope Science Institutessa Baltimoressa, Marylandissa. Kun James Webb -avaruusteleskooppi käynnistetään vuonna 2020, observatorion odotetaan paljastavan vielä enemmän tietoa maailmankaikkeuden varhaisista galakseista.
Syvälle
Livion parhaan tiedon mukaan Hubble on paras saatavilla oleva laite galaksien laskemiseen ja arvioimiseen. Vuonna 1990 käyttöönotetussa teleskoopissa oli aluksi pääpeilissä vääristymä, joka korjattiin vuonna 1993 sukkulakäynnin aikana. Hubble kävi myös läpi useita päivityksiä ja huoltokäyntejä, kunnes viimeinen sukkulalento sinne tehtiin toukokuussa 2009.
Vuonna 1995 tähtitieteilijät suuntasivat teleskoopin Ursa Majorin tyhjältä näyttävään alueeseen ja keräsivät 10 päivän ajan havaintoja. Tuloksena oli arviolta 3 000 himmeää galaksia yhdessä kuvassa, jotka menivät niinkin himmeiksi kuin 30. magnitudi. (Vertailun vuoksi mainittakoon, että Pohjantähti eli Polaris on noin 2. suuruusluokkaa.) Tätä kuvakomposiittia kutsuttiin Hubble Deep Fieldiksi, ja se oli kaukaisinta, mitä kukaan oli tuolloin nähnyt maailmankaikkeuteen.
Kun Hubble-teleskooppi sai päivityksiä instrumentteihinsa, tähtitieteilijät toistivat kokeen kahdesti. Vuosina 2003 ja 2004 tutkijat loivat Hubble Ultra Deep Fieldin, joka miljoona sekuntia kestäneessä valotuksessa paljasti noin 10 000 galaksia pienessä pisteessä Fornaxin tähdistössä.
Vuonna 2012 tutkijat käyttivät teleskooppia jälleen päivitettyjen instrumenttien avulla tarkastellakseen osaa Ultra Deep Fieldistä. Tähtitieteilijät pystyivät havaitsemaan jopa tässä kapeammassa näkökentässä noin 5 500 galaksia. Tutkijat nimesivät tätä eXtreme Deep Fieldiksi.
Kaiken kaikkiaan Hubble paljastaa maailmankaikkeudesta arviolta noin 100 miljardia galaksia, mutta tämä määrä kasvaa todennäköisesti noin 200 miljardiin, kun teleskooppien teknologia avaruudessa paranee, Livio kertoi Space.com-sivustolle.
Tähtien laskeminen
Käyttivätpä mitkä tahansa mittalaitteet tahansa, galaksien lukumäärän arvioimismenetelmä on sama. Otetaan teleskoopin (tässä tapauksessa Hubble) kuvaama osa taivaasta. Sitten – käyttämällä tuon taivaanpalasen suhdetta koko maailmankaikkeuteen – voidaan määrittää galaksien lukumäärä maailmankaikkeudessa.
”Tässä oletetaan, että ei ole suurta kosmista vaihtelua, että maailmankaikkeus on homogeeninen”, Livio sanoi. ”Meillä on hyvät syyt epäillä, että näin on. Se on kosmologinen periaate.”
Periaate juontaa juurensa Albert Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Einstein sanoi, että gravitaatio on avaruuden ja ajan vääristymä. Tämän ymmärryksen pohjalta useat tiedemiehet (Einstein mukaan lukien) yrittivät ymmärtää, miten painovoima vaikuttaa koko maailmankaikkeuteen.
”Yksinkertaisin oletus on, että jos maailmankaikkeuden sisältöä tarkasteltaisiin riittävän huonolla näkökyvyllä, se näyttäisi suunnilleen samalta kaikkialla ja joka suuntaan”, NASA totesi. ”Toisin sanoen maailmankaikkeuden aine on homogeenista ja isotrooppista, kun se keskiarvoistetaan hyvin suurilla mittakaavoilla. Tätä kutsutaan kosmologiseksi periaatteeksi.”
Yksi esimerkki kosmologisen periaatteen toimivuudesta on kosminen mikroaaltotausta, säteily, joka on jäänne maailmankaikkeuden alkuvaiheista alkuräjähdyksen jälkeen. Käyttämällä välineitä, kuten NASAn Wilkinsonin mikroaaltojen anisotropialuotainta, tähtitieteilijät ovat havainneet CMB:n olevan lähes identtinen kaikkialle, minne tahansa katsookin.
Muuttuuko galaksien määrä ajan myötä?
Mittaukset maailmankaikkeuden laajenemisesta – seuraamalla galaksien juoksua poispäin meistä – osoittavat, että maailmankaikkeus on noin 13,82 miljardia vuotta vanha. Kun maailmankaikkeus kuitenkin vanhenee ja laajenee, galaksit etääntyvät yhä kauemmas ja kauemmas Maasta. Tällöin niitä on vaikeampi nähdä teleskoopeilla.
Universumi laajenee nopeammin kuin valon nopeus (mikä ei riko Einsteinin nopeusrajaa, koska laajeneminen koskee itse maailmankaikkeutta eikä maailmankaikkeuden läpi kulkevia kohteita). Lisäksi maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä vauhdilla.
Tässä kohtaa tulee mukaan käsite ”havaittavissa oleva maailmankaikkeus” – maailmankaikkeus, jonka voimme nähdä. Livion mukaan tämä tarkoittaa, että 1 biljoonan-2 biljoonan vuoden kuluttua on galakseja, jotka ovat kauempana siitä, mitä voimme nähdä Maasta käsin.
”Voimme nähdä valoa vain sellaisista galakseista, joiden valo on ehtinyt saavuttaa meidät”, Livio sanoi. ”Se ei tarkoita, että maailmankaikkeudessa on vain sitä. Siksi havaittavan maailmankaikkeuden määritelmä.”
Galaksit myös muuttuvat ajan myötä. Linnunrata on törmäyskurssilla läheisen Andromedan galaksin kanssa, ja molemmat sulautuvat yhteen noin 4 miljardin vuoden kuluttua. Myöhemmin myös muut galaksit Lähiryhmässämme – meitä lähimpänä olevat galaksit – yhdistyvät lopulta. Tuon tulevan galaksin asukkailla olisi paljon pimeämpi maailmankaikkeus havainnoitavana, Livio sanoi.
”Sivilisaatioiden alkaessa silloin, heillä ei olisi mitään todisteita siitä, että on olemassa maailmankaikkeus, jossa on 100 miljardia galaksia”, hän sanoi. ”He eivät näkisi laajenemista. He eivät luultavasti pystyisi sanomaan, että oli olemassa alkuräjähdys.”
Mitä muista universumeista?
Kun varhainen maailmankaikkeus paisui, joidenkin teorioiden mukaan eri ”taskut” irtaantuivat ja muodostivat eri universumeja. Nämä eri paikat voisivat laajeta eri nopeudella, sisältää muunlaista ainetta ja niissä voisi olla erilaiset fysikaaliset lait kuin omassa maailmankaikkeudessamme.
Livio huomautti, että näissä muissa universumeissa voisi olla galakseja – jos niitä on olemassa – mutta meillä ei ole tällä hetkellä mitään keinoa tietää sitä varmasti. Niinpä galaksien määrä voisi olla jopa suurempi kuin 200 miljardia, kun otetaan huomioon muut universumit.
Livion mukaan tähtitieteilijät pystyvät omassa kosmoksessamme tarkentamaan lukumäärää paremmin, kun James Webb -avaruusteleskooppi (jonka operaatiosta ja tieteestä hänen instituuttinsa vastaa) käynnistetään. Hubble pystyy katsomaan galakseja, jotka muodostuivat noin 450 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Kun James Webb laukaistaan vuonna 2020, tähtitieteilijät odottavat, että he voivat katsoa jopa 200 miljoonaa vuotta taaksepäin alkuräjähdyksestä.
”Luvut eivät tule muuttumaan paljonkaan”, Livio lisäsi ja huomautti, että ensimmäiset galaksit muodostuivat luultavasti vähän ennen tätä. ”Joten 200 miljardin kaltainen luku on luultavasti se meidän havaittavassa maailmankaikkeudessamme.”
Webbin panos
Vaikka on mielenkiintoista laskea maailmankaikkeutemme galaksien lukumäärä, tähtitieteilijöitä kiinnostaa enemmän se, miten galaksit paljastavat, miten maailmankaikkeus on muodostunut. NASA:n mukaan galaksit kuvaavat sitä, miten aine maailmankaikkeudessa järjestäytyi – ainakin suuressa mittakaavassa. (Tutkijat ovat kiinnostuneita myös hiukkastyypeistä ja kvanttimekaniikasta, pienen mittakaavan puolella). Koska Webb pystyy katsomaan maailmankaikkeuden alkuaikoihin, sen tiedot auttavat tutkijoita ymmärtämään paremmin meitä nykyään ympäröivien galaksien rakenteita.
”Tutkimalla joitakin varhaisimpia galakseja ja vertaamalla niitä nykyisiin galakseihin voimme ehkä ymmärtää niiden kasvua ja kehitystä. Webbin avulla tutkijat voivat myös kerätä tietoa siitä, minkä tyyppisiä tähtiä näissä hyvin varhaisissa galakseissa oli”, NASA kertoi Webbin tehtävästä. ”Jatkohavainnot satojen tai tuhansien galaksien spektroskopian avulla auttavat tutkijoita ymmärtämään, miten vetyä raskaammat alkuaineet muodostuivat ja rakentuivat, kun galaksien muodostuminen eteni kautta aikojen”. Nämä tutkimukset paljastavat myös yksityiskohtia sulautuvista galakseista ja valaisevat itse galaksien muodostumisprosessia.”
Nasan mukaan tässä on joitakin keskeisiä kysymyksiä, joihin Webb tulee vastaamaan galakseista:
- Miten galaksit muodostuvat?
- Miten ne saavat muotonsa?
- Miten kemialliset alkuaineet jakautuvat galakseissa?
- Miten galaksien keskeiset mustat aukot vaikuttavat isäntägalakseihinsa?
- Mitä tapahtuu, kun pienet ja suuret galaksit törmäävät toisiinsa tai yhtyvät toisiinsa?
Tiedemiehiä kiinnostaa myös pimeän aineen rooli galaksien rakentumisessa. Vaikka osa maailmankaikkeudesta on näkyvissä sellaisissa muodoissa kuin galaksit tai tähdet, pimeä aine muodostaa suurimman osan maailmankaikkeudesta – noin 80 prosenttia siitä. Vaikka pimeä aine on näkymätöntä valon aallonpituuksilla tai energiapäästöjen kautta, 1950-luvulta peräisin olevat galakseja koskevat tutkimukset osoittivat, että niissä on paljon enemmän massaa kuin paljain silmin nähtävissä.
”Tietokonemallit, joita tutkijat ovat tehneet ymmärtääkseen galaksien muodostumista, viittaavat siihen, että galaksit syntyvät, kun pimeä aine sulautuu toisiinsa ja kasaantuu yhteen”, NASA kertoo. ”Sitä voidaan ajatella maailmankaikkeuden telineeksi. Näkyvä aine, jonka näemme, kerääntyy tämän telineen sisään tähtien ja galaksien muodossa. Tapa, jolla pimeä aine ’kasaantuu’ yhteen, on se, että pienet kohteet muodostuvat ensin ja vetäytyvät yhteen muodostaen suurempia.”
Webbin tehokkaiden peilien avulla tutkijat voivat tarkastella galaksien muodostumista – mukaan lukien pimeän aineen roolia – läheltä. Vaikka tämä tutkimus ei anna suoraa vastausta siihen, kuinka monta galaksia maailmankaikkeudessa on, se auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin näkemiemme galaksien taustalla olevia prosesseja, mikä puolestaan antaa parempaa tietoa galaksien populaatioita koskevista malleista.