Galaxisok – az univerzumunkat benépesítő csillagok hatalmas halmazai – mindenütt vannak. De hány galaxis van a világegyetemben? Megszámolni őket lehetetlen feladatnak tűnik. A puszta számok jelentik az egyik problémát – amint a számolás milliárdos nagyságrendűvé válik, sokáig tart az összeadás. A másik probléma a műszereink korlátozottsága. A legjobb kilátáshoz a teleszkópnak nagy apertúrával (a főtükör vagy lencse átmérőjével) kell rendelkeznie, és a légkör felett kell elhelyezkednie, hogy elkerülje a földi levegő okozta torzulást.
Ez a tény talán leghangsúlyosabb példája a Hubble eXtreme Deep Field (XDF), amely a Hubble Űrteleszkóp 10 éves fotóinak kombinálásával készült kép. A NASA szerint a teleszkóp egy kis égboltfoltot figyelt meg ismétlődő látogatásokkal összesen 50 napon keresztül. Ha a hüvelykujjunkkal karnyújtásnyira tartanánk a Holdat, az XDF területe körülbelül akkora lenne, mint egy gombostűfej. Az XDF sok órán át tartó megfigyelés során a halvány fényt összegyűjtve több ezer közeli és nagyon távoli galaxist fedezett fel, így ez volt a világegyetem legmélyebb képe, amelyet akkoriban valaha készítettek. Ha tehát ez az egyetlen kis folt több ezer galaxist tartalmaz, képzeljük el, hogy más foltokban még hány galaxist találhatunk.
Míg a különböző szakértők becslései eltérnek, az elfogadható tartomány 100 milliárd és 200 milliárd galaxis között van, mondta Mario Livio, a marylandi Baltimore-ban található Space Telescope Science Institute asztrofizikusa. Amikor a James Webb űrteleszkóp 2020-ban elindul, az obszervatórium várhatóan még több információt fog feltárni az univerzum korai galaxisairól.
Mélyre hatolva
Livio legjobb tudomása szerint a Hubble a legjobb műszer, amely a galaxisok megszámlálására és becslésére rendelkezésre áll. Az 1990-ben indított teleszkópnak kezdetben torzulás volt a főtükrén, amit egy 1993-as űrsikló-látogatás során korrigáltak. A Hubble emellett több frissítésen és szervizlátogatáson is átesett, egészen az utolsó, 2009. májusi űrsikló-misszióig.
1995-ben a csillagászok a távcsövet az Ursa Major egy üresnek tűnő régiójára irányították, és 10 napnyi megfigyelést gyűjtöttek. Az eredmény a becslések szerint 3000 halvány galaxis volt egyetlen képkockán, amelyek egészen a 30. magnitúdóig halványodtak. (Összehasonlításképpen: a Sarkcsillag vagy Polaris körülbelül 2. magnitúdós.) Ezt a képkompozitot nevezték el Hubble Deep Fieldnek, és ez volt a legtávolabbi, amit akkoriban bárki látott a világegyetemben.
Amint a Hubble-teleszkóp műszerei frissítéseket kaptak, a csillagászok kétszer megismételték a kísérletet. 2003-ban és 2004-ben a tudósok létrehozták a Hubble Ultra Deep Fieldet, amely egy egymillió másodperces felvétel során mintegy 10 000 galaxist mutatott ki a Fornax csillagkép egy kis pontján.
2012-ben, ismét korszerűsített műszerekkel, a tudósok a távcsővel az Ultra Deep Field egy részét nézték meg. A csillagászok még ebben a szűkebb látómezőben is mintegy 5500 galaxist tudtak észlelni. A kutatók ezt az eXtreme Deep Fieldnek nevezték el.
A Hubble összességében mintegy 100 milliárd galaxist fedez fel a világegyetemben, de ez a szám valószínűleg 200 milliárd körülire fog nőni, ahogy az űrben lévő távcsövek technológiája fejlődik – mondta Livio a Space.com-nak.
A csillagok számolása
Bármilyen műszert is használnak, a galaxisok számának becslésére szolgáló módszer ugyanaz. Vesszük az égboltnak a teleszkóp (jelen esetben a Hubble) által leképezett részét. Ezután – az égdarabka és a teljes univerzum arányát felhasználva – meg lehet határozni a galaxisok számát az univerzumban.
“Ez azt feltételezi, hogy nincs nagy kozmikus szórás, hogy az univerzum homogén” – mondta Livio. “Jó okunk van feltételezni, hogy ez így van. Ez a kozmológiai elv.”
Az elv Albert Einstein általános relativitáselméletére nyúlik vissza. Einstein szerint a gravitáció a tér és az idő torzulása. Ennek a felismerésnek a birtokában több tudós (köztük Einstein) megpróbálta megérteni, hogyan hat a gravitáció az egész univerzumra.”
“A legegyszerűbb feltételezés az, hogy ha elég rosszul látva nézzük az univerzum tartalmát, akkor az mindenhol és minden irányban nagyjából ugyanolyannak tűnik” – közölte a NASA. “Vagyis az univerzumban lévő anyag homogén és izotróp, ha nagyon nagy skálákon átlagoljuk. Ezt nevezzük kozmológiai elvnek.”
A kozmológiai elv működésének egyik példája a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, amely a világegyetem ősrobbanás utáni korai szakaszának maradványa. A NASA Wilkinson mikrohullámú anizotrópia szondájához hasonló műszerek segítségével a csillagászok megállapították, hogy a CMB gyakorlatilag azonos, bármerre is nézünk.
Változik-e a galaxisok száma az idő múlásával?
A világegyetem tágulásának mérése – a tőlünk elrobogó galaxisok megfigyelése révén – azt mutatja, hogy a világegyetem körülbelül 13,82 milliárd éves. Ahogy azonban az univerzum egyre öregebb és nagyobb lesz, a galaxisok egyre távolabb és távolabb kerülnek a Földtől. Ezáltal egyre nehezebb lesz látni őket a távcsövekben.
A világegyetem gyorsabban tágul, mint a fénysebesség (ami nem sérti Einstein sebességhatárát, mert a tágulás magát a világegyetemet érinti, nem pedig a világegyetemben utazó tárgyakat). Emellett a világegyetem tágulása is gyorsul.
Ez az a pont, ahol a “megfigyelhető világegyetem” – az általunk látható világegyetem – fogalma a képbe kerül. Livio szerint ez azt jelenti, hogy 1 trillió-2 trillió év múlva olyan galaxisok lesznek, amelyek túl vannak azon, amit a Földről láthatunk.
“Csak olyan galaxisok fényét láthatjuk, amelyek fényének volt elég ideje, hogy eljusson hozzánk” – mondta Livio. “Ez nem jelenti azt, hogy csak ennyi van az univerzumban. Ezért a megfigyelhető univerzum definíciója.”
A galaxisok is változnak az idő múlásával. A Tejútrendszer ütközési pályán van a közeli Androméda-galaxissal, és mindkettő körülbelül 4 milliárd év múlva össze fog olvadni. Később a Lokális Csoportunk – a hozzánk legközelebbi galaxisok – más galaxisai is össze fognak végül egyesülni. Ennek a jövőbeli galaxisnak a lakói egy sokkal sötétebb univerzumot figyelhetnének meg, mondta Livio.
“Az akkor induló civilizációknak nem lenne bizonyítékuk arra, hogy létezik egy 100 milliárd galaxist tartalmazó univerzum” – mondta. “Nem látnák a tágulást. Valószínűleg nem tudnák megmondani, hogy volt egy ősrobbanás.”
Mi van más univerzumokkal?
Amint a korai univerzum felfúvódott, vannak olyan elméletek, amelyek szerint különböző “zsebek” szakadtak el, és különböző univerzumokat hoztak létre. Ezek a különböző helyek különböző sebességgel tágulhattak, másfajta anyagot tartalmazhattak, és a mi univerzumunktól eltérő fizikai törvényekkel rendelkezhettek.
Livio rámutatott, hogy ezekben a más univerzumokban lehetnek galaxisok – ha léteznek -, de jelenleg nem tudhatjuk biztosan. Így a galaxisok száma akár 200 milliárdnál is nagyobb lehet, ha más univerzumokat veszünk figyelembe.
A saját kozmoszunkban, mondta Livio, a csillagászok a James Webb űrteleszkóp elindításával (amelynek intézete fogja irányítani a küldetés üzemeltetését és a tudományt) jobban tudják majd pontosítani a számot. A Hubble képes visszatekinteni azokra a galaxisokra, amelyek körülbelül 450 millió évvel az ősrobbanás után keletkeztek. Miután a James Webb 2020-ban elindul, a csillagászok várakozásai szerint akár 200 millió évvel az ősrobbanás utánra is visszatekinthetnek.
“A számok nem fognak sokat változni” – tette hozzá Livio, rámutatva, hogy az első galaxisok valószínűleg nem sokkal korábban keletkeztek. “Tehát egy olyan szám, mint a 200 milliárd, valószínűleg ennyi a megfigyelhető világegyetemünkre vonatkozóan.”
Webb hozzájárulása
Míg érdekes megszámolni a galaxisok számát a világegyetemünkben, a csillagászokat jobban érdekli, hogy a galaxisok hogyan árulják el, hogyan alakult ki a világegyetem. A NASA szerint a galaxisok azt mutatják, hogyan szerveződött az anyag a világegyetemben – legalábbis nagy léptékben. (A tudósokat a részecsketípusok és a kvantummechanika is érdekli, a spektrum kicsi oldalán.) Mivel a Webb képes visszatekinteni az univerzum korai időszakába, információi segítenek a tudósoknak jobban megérteni a minket ma körülvevő galaxisok szerkezetét.”
“A legkorábbi galaxisok tanulmányozásával és a mai galaxisokkal való összehasonlításukkal talán megérthetjük növekedésüket és fejlődésüket. A Webb azt is lehetővé teszi a tudósok számára, hogy adatokat gyűjtsenek arról, hogy milyen típusú csillagok léteztek ezekben a nagyon korai galaxisokban” – mondta a NASA a Webb küldetéséről. “A galaxisok százainak vagy ezreinek spektroszkópiájával végzett további megfigyelések segítenek majd a kutatóknak megérteni, hogyan keletkeztek és épültek fel a hidrogénnél nehezebb elemek a galaxisok kialakulása során a korszakok során. Ezek a vizsgálatok az összeolvadó galaxisok részleteit is feltárják majd, és fényt derítenek magára a galaxisképződés folyamatára is.”
A NASA szerint a Webb a galaxisokkal kapcsolatos néhány kulcsfontosságú kérdésre fog választ adni:
- Hogyan keletkeznek a galaxisok?
- Mitől kapják alakjukat?
- Hogyan oszlanak el a kémiai elemek a galaxisokban?
- Hogyan befolyásolják a galaxisok központi fekete lyukai a gazdagalaxisokat?
- Mi történik, amikor kis és nagy galaxisok ütköznek vagy egyesülnek?
A tudósokat az is érdekli, hogy milyen szerepet játszik a sötét anyag a galaxisok felépítésében. Míg az univerzum egy része látható formában, például galaxisok vagy csillagok formájában, a sötét anyag az, ami az univerzum nagy részét – mintegy 80 százalékát – alkotja. Bár a sötét anyag a fény hullámhosszán vagy az energiakibocsátáson keresztül nem látható, a galaxisok 1950-es évekre visszanyúló tanulmányai azt mutatták, hogy sokkal több tömeg van bennük, mint ami szabad szemmel látható.
“A tudósok által a galaxisképződés megértése érdekében készített számítógépes modellek azt mutatják, hogy a galaxisok akkor jönnek létre, amikor a sötét anyag összeolvad és összecsomósodik” – mondta a NASA. “Úgy gondolhatunk rá, mint az univerzum állványzatára. Az általunk látható anyag ezen az állványzaton belül gyűlik össze csillagok és galaxisok formájában. A sötét anyag úgy “csomósodik” össze, hogy először a kisebb objektumok alakulnak ki, és ezek húzódnak össze, hogy nagyobbakat alkossanak.”
A Webb nagy teljesítményű tükrei lehetővé teszik a tudósok számára, hogy közelről vizsgálják meg a galaxisok kialakulását – beleértve a sötét anyag szerepét is. Bár ez a vizsgálat nem ad közvetlen választ arra, hogy hány galaxis van az univerzumban, segít a tudósoknak jobban megérteni az általunk látott galaxisok mögött meghúzódó folyamatokat, ami viszont jobban tájékoztatja a galaktikus populációkra vonatkozó modelleket.