Galaxier – dessa enorma samlingar av stjärnor som befolkar vårt universum – finns överallt. Men hur många galaxer finns det i universum? Att räkna dem verkar vara en omöjlig uppgift. Rena antalet är ett problem – när väl räkningen kommer upp i miljarder tar det ett tag att göra additionen. Ett annat problem är begränsningen av våra instrument. För att få bästa möjliga bild måste ett teleskop ha en stor öppning (diametern på huvudspegeln eller linsen) och vara placerat ovanför atmosfären för att undvika snedvridning från jordens luft.
Det kanske mest välklingande exemplet på detta faktum är Hubble eXtreme Deep Field (XDF), en bild som skapats genom att kombinera tio års fotografier från rymdteleskopet Hubble. Teleskopet bevakade en liten bit av himlen i upprepade besök under sammanlagt 50 dagar, enligt NASA. Om du höll tummen på armlängds avstånd för att täcka månen skulle XDF-området vara ungefär lika stort som ett knappnålshuvud. Genom att samla in svagt ljus under många timmars observation avslöjade XDF tusentals galaxer, både närliggande och mycket avlägsna, vilket gjorde den till den djupaste bild av universum som någonsin tagits vid den tidpunkten. Så om denna enda lilla fläck innehåller tusentals, tänk då hur många fler galaxer som kan hittas i andra fläckar.
Om uppskattningarna bland olika experter varierar, är ett acceptabelt intervall mellan 100 miljarder och 200 miljarder galaxer, säger Mario Livio, astrofysiker vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. När James Webb Space Telescope lanseras 2020 förväntas observatoriet avslöja ännu mer information om tidiga galaxer i universum.
Gå på djupet
Såvitt Livio vet är Hubble det bästa instrumentet som finns för att räkna och uppskatta galaxer. Teleskopet, som lanserades 1990, hade till en början en förvrängning på sin huvudspegel som korrigerades under ett besök av en rymdfärja 1993. Hubble genomgick också flera uppgraderingar och servicebesök fram till det sista färjeuppdraget dit i maj 2009.
År 1995 riktade astronomer teleskopet mot vad som verkade vara ett tomt område i Ursa Major och samlade in 10 dagars observationer. Resultatet var uppskattningsvis 3 000 svaga galaxer i en enda bild, så svaga som 30:e magnitud. (Som jämförelse kan nämnas att Nordstjärnan eller Polaris har ungefär 2:a magnituden.) Denna bildkomposition kallades Hubble Deep Field och var den längst bort som någon hade sett in i universum på den tiden.
När Hubble-teleskopet fick uppgraderingar av sina instrument upprepade astronomerna experimentet två gånger. År 2003 och 2004 skapade forskarna Hubble Ultra Deep Field, som i en exponering på en miljon sekunder avslöjade cirka 10 000 galaxer i en liten fläck i stjärnbilden Fornax.
År 2012, återigen med hjälp av uppgraderade instrument, använde forskarna teleskopet för att titta på en del av Ultra Deep Field. Även i detta smalare synfält kunde astronomerna upptäcka omkring 5 500 galaxer. Forskarna döpte detta till eXtreme Deep Field.
Helt sammantaget avslöjar Hubble uppskattningsvis 100 miljarder galaxer i universum eller så, men det är troligt att detta antal kommer att öka till cirka 200 miljarder i takt med att teleskoptekniken i rymden förbättras, berättade Livio för Space.com.
Räknar stjärnor
Oavsett vilket instrument som används är metoden för att uppskatta antalet galaxer densamma. Man tar den del av himlen som avbildas av teleskopet (i det här fallet Hubble). Sedan kan man – med hjälp av förhållandet mellan denna del av himlen och hela universum – bestämma antalet galaxer i universum.
”Detta förutsätter att det inte finns någon stor kosmisk varians, att universum är homogent”, säger Livio. ”Vi har goda skäl att misstänka att så är fallet. Det är den kosmologiska principen.”
Principen går tillbaka till Albert Einsteins allmänna relativitetsteori. Einstein menade att gravitationen är en förvrängning av rum och tid. Med den förståelsen i handen försökte flera forskare (inklusive Einstein) förstå hur gravitationen påverkade hela universum.
”Det enklaste antagandet är att om man betraktade universums innehåll med tillräckligt dålig syn skulle det se ungefär likadant ut överallt och i alla riktningar”, konstaterade NASA. ”Det vill säga att materian i universum är homogen och isotropisk när man gör ett medelvärde över mycket stora skalor. Detta kallas den kosmologiska principen.”
Ett exempel på hur den kosmologiska principen fungerar är den kosmiska mikrovågsbakgrunden, en strålning som är en kvarleva från universums tidiga stadier efter Big Bang. Med hjälp av instrument som NASA:s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe har astronomer funnit att CMB är praktiskt taget identisk var man än tittar.
Kulle antalet galaxer förändras med tiden?
Mätningar av universums expansion – genom att se hur galaxer rusar iväg från oss – visar att universum är ungefär 13,82 miljarder år gammalt. I takt med att universum blir äldre och större kommer dock galaxerna att avlägsna sig allt längre bort från jorden. Detta kommer att göra dem svårare att se i teleskop.
Universum expanderar snabbare än ljusets hastighet (vilket inte bryter mot Einsteins hastighetsgräns eftersom expansionen gäller själva universum och inte objekt som färdas genom universum). Dessutom accelererar universum i sin expansion.
Det är här som begreppet ”det observerbara universumet” – det universum som vi kan se – kommer in i bilden. Om 1 biljon till 2 biljoner år, sade Livio, innebär detta att det kommer att finnas galaxer som ligger bortom vad vi kan se från jorden.
”Vi kan bara se ljus från galaxer vars ljus har haft tillräckligt med tid för att nå oss”, sade Livio. ”Det betyder inte att det är allt som finns i universum. Därav definitionen av det observerbara universum.”
Galaxer förändras också med tiden. Vintergatan är på kollisionskurs med den närliggande Andromedagalaxen, och de båda kommer att smälta samman om cirka 4 miljarder år. Senare kommer andra galaxer i vår lokala grupp – de galaxer som ligger närmast oss – så småningom att gå samman. Invånarna i den framtida galaxen skulle ha ett mycket mörkare universum att observera, sade Livio.
”Civilisationer som startade då skulle inte ha några bevis för att det fanns ett universum med 100 miljarder galaxer”, sade han. ”De skulle inte se expansionen. De skulle förmodligen inte kunna se att det fanns en Big Bang.”
Hur är det med andra universum?
När det tidiga universumet blåstes upp finns det vissa teorier som säger att olika ”fickor” bröt sig loss och bildade olika universum. Dessa olika platser skulle kunna expandera i olika takt, innehålla andra typer av materia och ha andra fysiska lagar än vårt eget universum.
Livio påpekade att det skulle kunna finnas galaxer i dessa andra universum – om de existerar – men att vi just nu inte har något sätt att veta med säkerhet. Så antalet galaxer kan till och med vara större än 200 miljarder om man tar hänsyn till andra universum.
I vårt eget kosmos, sade Livio, kommer astronomer att bättre kunna förfina antalet när James Webb Space Telescope (för vilket hans institut kommer att sköta uppdragsverksamheten och vetenskapen) har lanserats. Hubble kan titta tillbaka på galaxer som bildades cirka 450 miljoner år efter Big Bang. När James Webb lanseras 2020 räknar astronomerna med att de kan titta så långt tillbaka som 200 miljoner år efter Big Bang.
”Siffrorna kommer inte att förändras särskilt mycket”, tillade Livio och påpekade att de första galaxerna troligen bildades inte alltför länge innan dess. ”Så en siffra som 200 miljarder är förmodligen den för vårt observerbara universum.”
Webbs bidrag
Som det är intressant att räkna antalet galaxer i vårt universum är astronomer mer intresserade av hur galaxer avslöjar hur universum bildades. Enligt NASA är galaxer en representation av hur materian i universum var organiserad – åtminstone i stor skala. (Forskare är också intresserade av partikeltyper och kvantmekanik, på den lilla sidan av spektrumet). Eftersom Webb kan se tillbaka till universums tidigaste dagar kommer dess information att hjälpa forskarna att bättre förstå strukturerna i de galaxer som omger oss idag.
”Genom att studera några av de tidigaste galaxerna och jämföra dem med dagens galaxer kan vi kanske förstå deras tillväxt och utveckling. Webb kommer också att göra det möjligt för forskare att samla in data om vilka typer av stjärnor som fanns i dessa mycket tidiga galaxer”, säger NASA om Webbs uppdrag. ”Uppföljande observationer med spektroskopi av hundratals eller tusentals galaxer kommer att hjälpa forskarna att förstå hur grundämnen som är tyngre än väte bildades och byggdes upp när galaxbildningen fortsatte genom tiderna. Dessa studier kommer också att avslöja detaljer om galaxer som smälter samman och kasta ljus över själva galaxbildningsprocessen.”
Enligt NASA är här några av de viktigaste frågorna som Webb kommer att besvara om galaxer:
- Hur bildas galaxer?
- Vad ger dem sina former?
- Hur fördelas de kemiska grundämnena i galaxerna?
- Hur påverkar de centrala svarta hålen i galaxerna sina värdgalaxer?
- Vad händer när små och stora galaxer kolliderar eller förenas?
Vetenskapsmännen är också intresserade av den roll som den mörka materian spelar i uppbyggnaden av galaxer. Medan en del av universum är synligt i former som galaxer eller stjärnor är det mörka materian som utgör det mesta av universum – ungefär 80 procent av det. Även om mörk materia är osynlig i ljusets våglängder eller genom utsläpp av energi, visade studier av galaxer från 1950-talet att det fanns mycket mer massa i dem än vad som var synligt med blotta ögat.
”Datormodeller som forskare har gjort för att förstå galaxernas bildning tyder på att galaxer skapas när mörk materia smälter samman och klumpar ihop sig”, säger NASA. ”Det kan ses som universums byggnadsställning. Den synliga materia som vi ser samlas inuti denna ställning i form av stjärnor och galaxer. Det sätt på vilket mörk materia ’klumpar’ ihop sig är att små objekt bildas först och dras ihop till större objekt.”
Webbs kraftfulla speglar kommer att göra det möjligt för forskarna att titta på galaxbildning – inklusive den mörka materiens roll – på nära håll. Även om denna undersökning inte direkt ger svar på hur många galaxer det finns i universum, hjälper den forskarna att bättre förstå processerna bakom de galaxer vi ser, vilket i sin tur ger bättre information om modeller för galaktiska populationer.