Galaktyki – te ogromne skupiska gwiazd, które zaludniają nasz wszechświat – są wszędzie. Ale ile galaktyk jest we wszechświecie? Policzenie ich wydaje się być niemożliwym zadaniem. Samo liczenie galaktyk jest jednym z problemów – kiedy ich liczba idzie w miliardy, dodawanie zajmuje trochę czasu. Innym problemem są ograniczenia naszych instrumentów. Aby uzyskać najlepszy widok, teleskop musi mieć dużą aperturę (średnicę głównego zwierciadła lub soczewki) i być umieszczony ponad atmosferą, aby uniknąć zniekształceń powodowanych przez ziemskie powietrze.
Prawdopodobnie najbardziej wymownym przykładem tego faktu jest Hubble eXtreme Deep Field (XDF), obraz powstały w wyniku połączenia 10 lat zdjęć z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Jak podaje NASA, teleskop obserwował mały skrawek nieba w powtarzających się wizytach przez łącznie 50 dni. Gdybyś trzymał kciuk na wysokości ramienia, aby objąć Księżyc, obszar XDF byłby mniej więcej wielkości główki szpilki. Zbierając słabe światło przez wiele godzin obserwacji, XDF ujawnił tysiące galaktyk, zarówno bliskich, jak i bardzo odległych, co czyni go najgłębszym obrazem Wszechświata, jaki kiedykolwiek wykonano w tamtym czasie. Więc jeśli ta pojedyncza mała plamka zawiera tysiące, wyobraź sobie, ile więcej galaktyk można znaleźć w innych plamkach.
Choć szacunki wśród różnych ekspertów różnią się, akceptowalny zakres wynosi od 100 miliardów do 200 miliardów galaktyk, powiedział Mario Livio, astrofizyk w Space Telescope Science Institute w Baltimore, Maryland. Kiedy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wystartuje w 2020 roku, oczekuje się, że obserwatorium ujawni jeszcze więcej informacji na temat wczesnych galaktyk we wszechświecie.
Going deep
Według najlepszej wiedzy Livio, Hubble jest najlepszym dostępnym instrumentem do liczenia i szacowania galaktyk. Teleskop, wystrzelony w 1990 roku, początkowo miał zniekształcenia na głównym zwierciadle, które zostały skorygowane podczas wizyty wahadłowca w 1993 roku. Hubble przeszedł również kilka modernizacji i wizyt serwisowych aż do ostatniej misji wahadłowca w maju 2009 roku.
W 1995 roku astronomowie skierowali teleskop na to, co wydawało się być pustym regionem Ursa Major, i zebrali 10-dniowe obserwacje. W rezultacie otrzymano około 3000 słabych galaktyk w pojedynczej klatce, które były tak ciemne jak 30. magnitudo. (Dla porównania, Gwiazda Północna lub Polaris jest około 2. magnitudo). Ten obraz nazwano Głębokim Polem Hubble’a i był to najdalszy obraz, jaki ktokolwiek widział w tym czasie we wszechświecie.
Jak teleskop Hubble’a otrzymał uaktualnienia do swoich instrumentów, astronomowie powtórzyli eksperyment dwukrotnie. W 2003 i 2004 roku naukowcy stworzyli Ultragłębokie Pole Hubble’a, które w ciągu miliona sekund ujawniło około 10 tysięcy galaktyk w niewielkiej plamce w gwiazdozbiorze Fornax.
W 2012 roku, ponownie wykorzystując unowocześnione instrumenty, naukowcy użyli teleskopu, aby spojrzeć na część Ultragłębokiego Pola. Nawet w tym węższym polu widzenia, astronomowie byli w stanie wykryć około 5 500 galaktyk. Naukowcy określili to jako eXtreme Deep Field.
W sumie Hubble odkrywa około 100 miliardów galaktyk we wszechświecie, ale liczba ta prawdopodobnie wzrośnie do około 200 miliardów, gdy technologia teleskopów w kosmosie ulegnie poprawie, powiedział Livio portalowi Space.com.
Liczenie gwiazd
Bez względu na to, jaki instrument jest używany, metoda szacowania liczby galaktyk jest taka sama. Bierze się część nieba obrazowaną przez teleskop (w tym przypadku Hubble’a). Następnie – wykorzystując stosunek tego skrawka nieba do całego wszechświata – można określić liczbę galaktyk we wszechświecie.
„To jest założenie, że nie ma dużej kosmicznej wariancji, że wszechświat jest jednorodny” – powiedział Livio. „Mamy dobre powody, aby podejrzewać, że tak właśnie jest. To jest zasada kosmologiczna.”
Zasada ta pochodzi z teorii ogólnej względności Alberta Einsteina. Einstein powiedział, że grawitacja jest zniekształceniem przestrzeni i czasu. Z tym zrozumieniem w ręku, kilku naukowców (w tym Einstein) próbowało zrozumieć, jak grawitacja wpłynęła na cały wszechświat.
„Najprostszym założeniem do zrobienia jest to, że jeśli oglądałeś zawartość wszechświata z wystarczająco słabym wzrokiem, wydawałby się on mniej więcej taki sam wszędzie i w każdym kierunku” – stwierdziła NASA. „To znaczy, że materia we wszechświecie jest jednorodna i izotropowa, gdy jest uśredniona w bardzo dużych skalach. Nazywa się to zasadą kosmologiczną.”
Jednym z przykładów zasady kosmologicznej w pracy jest kosmiczne mikrofalowe tło, promieniowanie, które jest pozostałością wczesnych etapów wszechświata po Wielkim Wybuchu. Używając instrumentów takich jak należąca do NASA Sonda Wilkinsona do badania anizotropii mikrofalowej, astronomowie odkryli, że CMB jest praktycznie identyczne, gdziekolwiek by nie spojrzeć.
Czy liczba galaktyk zmienia się z czasem?
Pomiary ekspansji wszechświata – poprzez obserwowanie galaktyk oddalających się od nas – pokazują, że ma on około 13,82 miliarda lat. Jednak w miarę jak wszechświat staje się coraz starszy i większy, galaktyki będą oddalać się od Ziemi coraz bardziej. To sprawi, że będą one trudniejsze do zobaczenia w teleskopach.
Wszechświat rozszerza się szybciej niż prędkość światła (co nie narusza Einsteinowskiego ograniczenia prędkości, ponieważ ekspansja dotyczy samego wszechświata, a nie obiektów podróżujących przez wszechświat). Ponadto, wszechświat przyspiesza w jego expansion.
To jest, gdzie pojęcie „obserwowalnego wszechświata” – wszechświat, który możemy zobaczyć – wchodzi w grę. W ciągu 1 biliona do 2 bilionów lat, Livio powiedział, oznacza to, że będą galaktyki, które są poza tym, co możemy zobaczyć z Ziemi.
„Możemy tylko zobaczyć światło z galaktyk, których światło miało wystarczająco dużo czasu, aby do nas dotrzeć”, powiedział Livio. „Nie oznacza to, że to wszystko, co jest we wszechświecie. Stąd definicja obserwowalnego wszechświata.”
Galaktyki również zmieniają się w czasie. Droga Mleczna jest na kursie kolizyjnym z pobliską Galaktyką Andromedy, a obie połączą się w ciągu około 4 miliardów lat. Później, inne galaktyki w naszej Grupie Lokalnej – galaktyki znajdujące się najbliżej nas – w końcu się połączą. Mieszkańcy tej przyszłej galaktyki mieliby znacznie ciemniejszy wszechświat do obserwacji, Livio said.
„Cywilizacje zaczęły się wtedy, nie mieliby dowodów na to, że istniał wszechświat ze 100 miliardami galaktyk”, powiedział. „Nie widzieliby ekspansji. Prawdopodobnie nie byliby w stanie powiedzieć, że był Wielki Wybuch.”
Co z innymi wszechświatami?
Jak wczesny wszechświat się nadmuchał, istnieją pewne teorie, które mówią, że różne „kieszenie” oderwały się i utworzyły różne wszechświaty. Te różne miejsca mogą rozszerzać się w różnym tempie, zawierać inne rodzaje materii i mieć inne prawa fizyczne niż nasz własny wszechświat.
Livio wskazał, że mogą być galaktyki w tych innych wszechświatach – jeśli istnieją – ale nie mamy teraz sposobu, aby wiedzieć na pewno. Tak więc liczba galaktyk może być nawet większa niż 200 miliardów, biorąc pod uwagę inne wszechświaty.
W naszym własnym kosmosie, powiedział Livio, astronomowie będą w stanie lepiej dopracować tę liczbę po uruchomieniu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (dla którego jego instytut będzie zarządzał operacjami misji i nauką). Hubble jest w stanie spojrzeć wstecz na galaktyki, które uformowały się około 450 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Po uruchomieniu Jamesa Webba w 2020 roku, astronomowie przewidują, że będą mogli spojrzeć nawet 200 milionów lat wstecz po Wielkim Wybuchu.
„Liczby nie zmienią się zbytnio” – dodał Livio, wskazując, że pierwsze galaktyki prawdopodobnie uformowały się niewiele wcześniej. „Więc liczba taka jak 200 miliardów jest prawdopodobnie dla naszego obserwowalnego wszechświata.”
Wkład Webba
Choć interesujące jest policzenie liczby galaktyk w naszym wszechświecie, astronomowie są bardziej zainteresowani tym, w jaki sposób galaktyki ujawniają, jak powstał wszechświat. Według NASA, galaktyki są reprezentacją tego, w jaki sposób materia we wszechświecie została zorganizowana – przynajmniej w dużej skali. (Naukowcy są również zainteresowani typami cząstek i mechaniką kwantową, na małej skali). Ponieważ Webb może spojrzeć wstecz do wczesnych dni wszechświata, jego informacje pomogą naukowcom lepiej zrozumieć struktury galaktyk otaczających nas dzisiaj.
„Badając niektóre z najwcześniejszych galaktyk i porównując je z dzisiejszymi galaktykami, możemy być w stanie zrozumieć ich wzrost i ewolucję. Webb pozwoli również naukowcom zebrać dane na temat typów gwiazd, które istniały w tych bardzo wczesnych galaktykach” – powiedziała NASA o misji Webba. „Dalsze obserwacje z wykorzystaniem spektroskopii setek lub tysięcy galaktyk pomogą naukowcom zrozumieć, w jaki sposób pierwiastki cięższe od wodoru były formowane i budowane w miarę formowania się galaktyk na przestrzeni wieków. Badania te ujawnią również szczegóły dotyczące łączących się galaktyk i rzucą światło na sam proces powstawania galaktyk.”
Według NASA, oto niektóre z kluczowych pytań, na które Webb odpowie o galaktykach:
- Jak powstają galaktyki?
- Co nadaje im ich kształty?
- Jak pierwiastki chemiczne są rozmieszczone w galaktykach?
- Jak centralne czarne dziury w galaktykach wpływają na galaktyki będące ich gospodarzami?
- Co się dzieje, gdy małe i duże galaktyki zderzają się lub łączą ze sobą?
Naukowcy są również zainteresowani rolą, jaką ciemna materia odgrywa w składaniu galaktyk. Podczas gdy część wszechświata jest widoczna w formach takich jak galaktyki czy gwiazdy, ciemna materia jest tym, co tworzy większość wszechświata – około 80 procent. Podczas gdy ciemna materia jest niewidoczna w długościach fal światła lub poprzez emisje energii, badania galaktyk sięgające lat 50-tych XX wieku wskazywały, że było znacznie więcej masy obecnej w nich niż to, co było widoczne gołym okiem.
„Modele komputerowe, które naukowcy wykonali, aby zrozumieć powstawanie galaktyk wskazują, że galaktyki są tworzone, gdy ciemna materia łączy się i zbija razem” – powiedziała NASA. „Można o niej myśleć jak o rusztowaniu wszechświata. Widzialna materia, którą widzimy zbiera się wewnątrz tego rusztowania w postaci gwiazd i galaktyk. Sposób, w jaki ciemna materia 'zbija się’ razem polega na tym, że najpierw tworzą się małe obiekty, a następnie są przyciągane do siebie, tworząc większe.”
Potężne zwierciadła teleskopu Webb pozwolą naukowcom przyjrzeć się formowaniu galaktyk – w tym roli ciemnej materii – z bliska. Chociaż badanie to nie daje bezpośredniej odpowiedzi na pytanie, ile galaktyk jest we wszechświecie, pomaga naukowcom lepiej zrozumieć procesy stojące za galaktykami, które widzimy, co z kolei lepiej informuje o modelach dotyczących populacji galaktyk”
.