Galaxiile – acele vaste colecții de stele care populează universul nostru – sunt peste tot. Dar câte galaxii există în univers? Numărarea lor pare a fi o sarcină imposibilă. Numărul pur și simplu este o problemă – odată ce numărătoarea ajunge la miliarde, este nevoie de ceva timp pentru a face adunarea. O altă problemă este limitarea instrumentelor noastre. Pentru a obține cea mai bună vedere, un telescop trebuie să aibă o deschidere mare (diametrul oglinzii principale sau al lentilei) și să fie situat deasupra atmosferei pentru a evita distorsiunea cauzată de aerul de pe Pământ.
Poate cel mai răsunător exemplu al acestui fapt este Hubble eXtreme Deep Field (XDF), o imagine realizată prin combinarea a 10 ani de fotografii de la telescopul spațial Hubble. Telescopul a urmărit o mică porțiune de cer în vizite repetate, pentru un total de 50 de zile, potrivit NASA. Dacă ți-ai ține degetul mare la lungimea unui braț pentru a acoperi Luna, zona XDF ar fi de mărimea unui cap de ac. Prin colectarea luminii slabe pe parcursul mai multor ore de observație, XDF a dezvăluit mii de galaxii, atât apropiate, cât și foarte îndepărtate, ceea ce a făcut-o cea mai profundă imagine a universului realizată vreodată la acea vreme. Așadar, dacă acel singur punct mic conține mii de galaxii, imaginați-vă câte alte galaxii ar putea fi găsite în alte puncte.
În timp ce estimările între diferiți experți variază, un interval acceptabil este între 100 de miliarde și 200 de miliarde de galaxii, a declarat Mario Livio, un astrofizician de la Space Telescope Science Institute din Baltimore, Maryland. Când telescopul spațial James Webb va fi lansat în 2020, se așteaptă ca observatorul să dezvăluie și mai multe informații despre galaxiile timpurii din univers.
Mergând în profunzime
Pe cât de bine știe Livio, Hubble este cel mai bun instrument disponibil pentru numărarea și estimarea galaxiilor. Telescopul, lansat în 1990, a avut inițial o distorsiune pe oglinda principală, care a fost corectată în timpul unei vizite a unei navete în 1993. Hubble a trecut, de asemenea, prin mai multe modernizări și vizite de service până la ultima misiune a navetei acolo, în mai 2009.
În 1995, astronomii au îndreptat telescopul spre ceea ce părea a fi o regiune goală din Ursa Major și au colectat observații timp de 10 zile. Rezultatul a fost un număr estimat de 3.000 de galaxii slabe într-un singur cadru, ajungând până la magnitudinea 30. (Pentru comparație, Steaua Polară sau Steaua Polară are aproximativ magnitudinea a 2-a.) Această imagine compozită a fost numită Hubble Deep Field (Câmpul adânc al lui Hubble) și a fost cea mai îndepărtată imagine pe care cineva a văzut-o în univers la acea vreme.
Pe măsură ce telescopul Hubble a primit actualizări ale instrumentelor sale, astronomii au repetat experimentul de două ori. În 2003 și 2004, oamenii de știință au creat Hubble Ultra Deep Field, care, într-o expunere de un milion de secunde, a dezvăluit aproximativ 10.000 de galaxii într-un mic punct din constelația Fornax.
În 2012, folosind din nou instrumente îmbunătățite, oamenii de știință au folosit telescopul pentru a examina o parte din Ultra Deep Field. Chiar și în acest câmp vizual mai îngust, astronomii au reușit să detecteze aproximativ 5.500 de galaxii. Cercetătorii au numit acest lucru eXtreme Deep Field.
În total, Hubble dezvăluie aproximativ 100 de miliarde de galaxii în univers, dar acest număr este posibil să crească la aproximativ 200 de miliarde pe măsură ce tehnologia telescoapelor din spațiu se îmbunătățește, a declarat Livio pentru Space.com.
Contând stelele
Cu orice instrument este folosit, metoda de estimare a numărului de galaxii este aceeași. Se ia porțiunea de cer imaginată de telescop (în acest caz, Hubble). Apoi – folosind raportul dintre porțiunea de cer și întregul univers – se poate determina numărul de galaxii din univers.
„Acest lucru presupune că nu există o variație cosmică mare, că universul este omogen”, a spus Livio. „Avem motive întemeiate pentru a suspecta că acesta este cazul. Acesta este principiul cosmologic.”
Principiul datează de la teoria relativității generale a lui Albert Einstein. Einstein a spus că gravitația este o distorsiune a spațiului și timpului. Cu această înțelegere în mână, mai mulți oameni de știință (inclusiv Einstein) au încercat să înțeleagă modul în care gravitația a afectat întregul univers.
„Cea mai simplă presupunere care se poate face este că, dacă ai privi conținutul universului cu o vedere suficient de slabă, acesta ar părea aproximativ la fel peste tot și în orice direcție”, a declarat NASA. „Adică, materia din univers este omogenă și izotropă atunci când este calculată media pe scări foarte mari. Acest lucru se numește principiul cosmologic.”
Un exemplu al principiului cosmologic la lucru este fondul cosmic de microunde, radiația care este o rămășiță a primelor etape ale universului după Big Bang. Folosind instrumente precum sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe de la NASA, astronomii au descoperit că CMB este practic identic oriunde s-ar privi.
Se schimbă numărul de galaxii odată cu trecerea timpului?
Măsurătorile expansiunii universului – prin observarea galaxiilor care se îndepărtează de noi – arată că acesta are o vechime de aproximativ 13,82 miliarde de ani. Cu toate acestea, pe măsură ce universul devine mai bătrân și mai mare, galaxiile se vor îndepărta din ce în ce mai mult de Pământ. Acest lucru le va face mai greu de văzut în telescoape.
Universul se extinde mai repede decât viteza luminii (ceea ce nu încalcă limita de viteză a lui Einstein, deoarece expansiunea este a universului în sine, mai degrabă decât a obiectelor care călătoresc prin univers). De asemenea, universul își accelerează expansiunea.
Acesta este momentul în care intervine conceptul de „univers observabil” – universul pe care îl putem vedea. În 1.000 sau 2.000 de miliarde de ani, a spus Livio, acest lucru înseamnă că vor exista galaxii care se vor afla dincolo de ceea ce putem vedea de pe Pământ.
„Putem vedea doar lumina de la galaxiile a căror lumină a avut suficient timp să ajungă la noi”, a spus Livio. „Asta nu înseamnă că asta este tot ce există în univers. De aici, definiția universului observabil.”
Galaxiile se schimbă, de asemenea, în timp. Calea Lactee se află pe un curs de coliziune cu galaxia Andromeda, aflată în apropiere, și ambele vor fuziona în aproximativ 4 miliarde de ani. Mai târziu, alte galaxii din Grupul nostru Local – galaxiile cele mai apropiate de noi – se vor combina în cele din urmă. Locuitorii acelei viitoare galaxii vor avea un univers mult mai întunecat de observat, a spus Livio.
„Civilizațiile începute atunci, nu vor avea nicio dovadă că a existat un univers cu 100 de miliarde de galaxii”, a spus el. „Ei nu ar fi văzut expansiunea. Probabil că nu ar putea spune că a existat un Big Bang.”
Ce se întâmplă cu alte universuri?
În timp ce universul timpuriu s-a umflat, există unele teorii care spun că diferite „buzunare” s-au desprins și au format universuri diferite. Aceste locuri diferite ar putea să se extindă cu viteze diferite, să includă alte tipuri de materie și să aibă legi fizice diferite față de universul nostru.
Livio a subliniat că ar putea exista galaxii în aceste alte universuri – dacă ele există – dar nu avem cum să știm cu siguranță în acest moment. Așadar, numărul galaxiilor ar putea fi chiar mai mare de 200 de miliarde, atunci când luăm în considerare alte universuri.
În cosmosul nostru, a spus Livio, astronomii vor fi mai în măsură să precizeze acest număr după lansarea telescopului spațial James Webb (pentru care institutul său va gestiona operațiunile și știința misiunii). Hubble este capabil să privească înapoi la galaxiile care s-au format la aproximativ 450 de milioane de ani după Big Bang. După ce James Webb va fi lansat în 2020, astronomii anticipează că vor putea privi înapoi până la 200 de milioane de ani de la Big Bang.
„Cifrele nu se vor schimba prea mult”, a adăugat Livio, subliniind că primele galaxii s-au format probabil nu cu mult timp înainte. „Așa că un număr ca 200 de miliarde este probabil acesta pentru universul nostru observabil.”
Contribuțiile lui Webb
În timp ce este interesant să numărăm numărul de galaxii din universul nostru, astronomii sunt mai interesați de modul în care galaxiile dezvăluie modul în care s-a format universul. Potrivit NASA, galaxiile sunt o reprezentare a modului în care a fost organizată materia din univers – cel puțin, la scară mare. (Oamenii de știință sunt, de asemenea, interesați de tipurile de particule și de mecanica cuantică, pe partea mică a spectrului). Deoarece Webb poate privi înapoi la începuturile universului, informațiile sale îi vor ajuta pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine structurile galaxiilor care ne înconjoară astăzi.
„Studiind unele dintre primele galaxii și comparându-le cu galaxiile de astăzi, am putea fi capabili să înțelegem creșterea și evoluția lor. De asemenea, Webb va permite oamenilor de știință să adune date despre tipurile de stele care au existat în aceste galaxii foarte timpurii”, a declarat NASA despre misiunea lui Webb. „Observațiile ulterioare folosind spectroscopia a sute sau mii de galaxii vor ajuta cercetătorii să înțeleagă modul în care elementele mai grele decât hidrogenul s-au format și s-au acumulat pe măsură ce formarea galaxiilor a continuat de-a lungul timpului. Aceste studii vor dezvălui, de asemenea, detalii despre galaxiile care fuzionează și vor arunca lumină asupra procesului de formare a galaxiilor în sine.”
Potrivit NASA, iată câteva dintre întrebările cheie la care Webb va răspunde despre galaxii:
- Cum se formează galaxiile?
- Ce le dă formele lor?
- Cum sunt distribuite elementele chimice prin galaxii?
- Cum influențează găurile negre centrale din galaxii galaxiile care le găzduiesc?
- Ce se întâmplă atunci când galaxiile mici și mari se ciocnesc sau se unesc?
Științii sunt interesați și de rolul pe care materia întunecată îl joacă în asamblarea galaxiilor. În timp ce o parte din univers este vizibilă sub forme precum galaxiile sau stelele, materia întunecată este cea care compune cea mai mare parte a universului – aproximativ 80% din el. În timp ce materia întunecată este invizibilă în lungimile de undă ale luminii sau prin emisiile de energie, studiile asupra galaxiilor care datează din anii 1950 au indicat că în ele este prezentă o masă mult mai mare decât cea vizibilă cu ochiul liber.
„Modelele computerizate pe care oamenii de știință le-au realizat pentru a înțelege formarea galaxiilor indică faptul că galaxiile sunt create atunci când materia întunecată fuzionează și se aglomerează”, a declarat NASA. „Poate fi considerată ca fiind scheletul universului. Materia vizibilă pe care o vedem se adună în interiorul acestei schele sub formă de stele și galaxii. Modul în care materia întunecată se „aglomerează” este acela că obiectele mici se formează mai întâi și sunt atrase împreună pentru a forma altele mai mari.”
Puternicele oglinzi ale lui Webb vor permite oamenilor de știință să analizeze de aproape formarea galaxiilor – inclusiv rolul materiei întunecate. Deși această investigație nu răspunde în mod direct la câte galaxii există în univers, ea îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine procesele din spatele galaxiilor pe care le vedem, ceea ce, la rândul său, informează mai bine modelele despre populațiile galactice.
.