Astronomowie nadal nie potrafią powiedzieć dokładnie, ile galaktyk istnieje. Obecne szacunki znajdują się gdzieś między 200 miliardami (2×10^11) a 2 bilionami, a sam ten zakres opowiada historię: za każdym razem, gdy teleskopy ulepszały się w wychwytywaniu słabych, odległych śladów światła, liczba skoczyła w górę.
Galaktyka, w najprostszej formie, to zbiór grawitacyjnie powiązanych gwiazd, gazu, pyłu i ciemnej materii. Ale "galaktyka" obejmuje ogromne spektrum obiektów. Galaktyki zawierają średnio około 100 milionów gwiazd i wahają się od karłów z mniej niż tysiącem gwiazd po supergigantów ze sto bilionami gwiazd, z których każda krąży wokół centrum masy swojej galaktyki. Ten artykuł bada galaktyki jako klasę obiektów – jak są klasyfikowane, jak duże się staną, co je trzyma razem i która aktualnie trzyma rekord na największą odległość.
Ile galaktyk jest tam na zewnątrz?
Hubble Deep Field, niezwykle długa ekspozycja stosunkowo pustej części nieba, dała astronomom ich pierwszy rzeczywisty wgląd w kwestię: dostarczyła dowodów na około 125 miliardów (1,25×10^11) galaktyk w obserwowalnym wszechświecie. Ta liczba wyglądała autorytatywnie przez lata, głównie dlatego, że pochodzi z najgłębszego obrazu, jaki kiedykolwiek wyprodukowały teleskopy kosmiczne.
Następnie w 2016 roku badanie kierowane przez Christophera Conselice'a z University of Nottingham, opublikowane w The Astrophysical Journal, połączyło wiele dodatkowych źródeł danych i podniosło oszacowanie do co najmniej dwóch bilionów (2×10^12) galaktyk w obserwowalnym wszechświecie do przesunięcia ku czerwieni z=8 – około dziesięć razy więcej niż to, co bezpośrednio widać na zdjęciach Hubble'a. Luka między dwiema liczbami nie jest błędem w żadnym z badań; odzwierciedla, ile galaktyk jest zbyt słabych, zbyt małych lub zbyt odległych, aby nawet punkt orientacyjny wie Hubble Deep Field mógł je rozwiązać indywidualnie.
Od karłów do supergigantów
Większość galaktyk ma średnicę od 1000 do 100 000 parseków, czyli około 3000 do 300 000 lat świetlnych, i są oddzielone od siebie odległościami rzędu milionów parseków. Ta przepaść jest ważna: własna szerokość typowej galaktyki mierzy się w tysiącach lat świetlnych, ale pusta przestrzeń między nią a następną galaktyką mierzy się w milionach.
W tym zakresie od 1000 do 100 000 parseków istnieje ogromny rozrzut populacji. Galaktyka karłowata może zawierać mniej niż tysiąc gwiazd, podczas gdy supergigant może zawierać około sto bilionów – różnicę około jedenastu rzędów wielkości w liczbie gwiazd między najmniejszymi a największymi znanymi galaktykami.
Większości galaktyki nie możesz widzieć
Gwiazdy i świecący gaz to to, co czyni galaktykę widoczną, ale nie stanowią największej części jej masy. Większość masy w typowej galaktyce jest w postaci ciemnej materii, przy czym tylko kilka procent tej masy jest widoczne w postaci gwiazd i mgławic. Innymi słowy, jasny dysk lub wybrzuszenie pojawiające się na fotografii to cienka widoczna warstwa nad czymś znacznie bardziej masywnym, które w ogóle nie emituje światła.
Wskazówka, która to ujawniła, pochodziła z ruchu, a nie ze światła. W latach 70. astronom Vera Rubin odkryła rozbieżność między obserwowaną prędkością rotacji galaktyk a prędkością przewidywaną jedynie z widocznej masy ich gwiazd i gazu. Gwiazdy daleko od centrum galaktyki poruszały się szybciej, niż mogła wyjaśnić widoczna materia – dokładnie ten rodzaj niedopasowania, który wskazuje na duże zasoby niewidocznej materii utrzymującej galaktykę razem.
System sortowania, którego Hubble nie wymyślił
Większość galaktyk sortuje się za pomocą sekwencji Hubble'a, morfologicznego schematu klasyfikacji galaktyk opublikowanego przez Edwina Hubble'a w 1926 roku. Pomimo że nosi jego nazwę, został wynaleziony przez Johna Henry'ego Reynoldsa i Sir Jamesa Jeans'a; Hubble spopularyzował i opublikował schemat, a nie go wynalazł.
.jpg){kind=link}
Gałąź eliptyczna sekwencji ma własną skalę wewnętrzną. Galaktyki eliptyczne są klasyfikowane od E0 do E7, zgodnie z konwencją, w której numer klasy to dziesięć razy eliptyczność galaktyki, zaokrąglone do najbliższej liczby całkowitej – więc prawie okrągła galaktyka na niebie odczytuje się jako E0, a spłaszczona, wydłużona czyta się jako E7.
Między gałęzią eliptyczną a dwiema gałęziami spiralnymi klasycznego diagramu kamertonu znajduje się trzecia grupa. W centrum widelca Hubble'a, gdzie zbiegają się dwie gałęzie galaktyk spiralnych i gałąź eliptyczna, znajduje się pośrednia klasa galaktyk znana jako soczewkowate i oznaczona symbolem S0 – ani wyraźnie eliptyczna, ani wyraźnie spiralna, ale forma pośrednia.
Największe kształty w kosmicznym zoo
Galaktyki eliptyczne wytwarzają również największe znane galaktyki. Największymi galaktykami są eliptyczne supergiganta, zwane również galaktykami typu cD – odrębne oznaczenie od zwykłej klasy eliptycznej, zarezerwowane dla prawdziwych gigantów.
Nawet pomijając klasę supergiganta, zwykłe galaktyki eliptyczne samodzielnie pokrywają ogromny zakres: bardzo się różnią w rozmiarze i masie, ze średnicami od 3000 lat świetlnych do ponad 700 000 lat świetlnych i masami od 10^5 do prawie 10^13 mas słonecznych. Górny koniec tego zakresu jest dobrze ponad 200 razy szerszy niż dolny koniec.
Jedna galaktyka eliptyczna osiągnęła inny rekord. M87 (NGC 4486) jest domem supermasywnej czarnej dziury, która stała się pierwszą czarną dziurą kiedykolwiek fotografowaną, przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń – czyniąc galaktykę już niezwykłą ze względu na jej wielkość do źródła pierwszego bezpośredniego obrazu cienia czarnej dziury.
Gdy jądro galaktyki się rozjaśnia
Nie każde jądro galaktyczne siedzi cicho. Niektóre świecą się od promieniowania, a najbardziej ekstremalne przypadki to kwazary. Odległości między znanymi kwaazarami wahają się ogromnie: najbliższy znany kwazar, Markarian 231, jest około 581 milionów lat świetlnych od Ziemi, podczas gdy inne odkryto aż do UHZ1, około 13,2 miliarda lat świetlnych – przepaść ponad dwadzieścia dwa razy większa od odległości.
.jpg){kind=link}
Fale radiowe ujawniają inny rodzaj ekstremalnej galaktyki. Alcyoneus to galaktyka radiowa z największą obserwowaną emisją radiową z jakaś znana galaktyka, jej struktury płatowe obejmujące 5 megaparseków, czyli 16×10^6 lat świetlnych. Na porównanie, inną podobnie dużą galaktyką radiową jest 3C 236, z płatami szerokie 15 milionów lat świetlnych – co oznacza, że płaty radiowe Alcyneusa same rozciągają się dalej niż wiele całych skupisk galaktyk.
Powiązane razem w miliardach
Galaktyki rzadko istnieją w izolacji; większość należy do większych struktur utrzymywanych razem przez grawitację. Skupisko galaktyk zawiera typowo 100 do 1000 galaktyk, gorący gaz emitujący promieniowanie rentgenowskie i dużą ilość ciemnej materii, z całkowitymi masami od 10^14 do 10^15 mas słonecznych i średnicami od 1 do 5 megaparseków.
Przez dziesięciolecia skupiska utrzymywały tytuł największych rzeczy we wszechświecie: uważano je za największe znane struktury we wszechświecie aż do lat 80., kiedy odkryto super skupiska i wyparły je z pierwszego miejsca.
Gaz, który wypełnia skupisko, to wszystko oprócz zimnego. Nagrzany gaz środowiska wewnątrz skupiska ma temperaturę szczytu między 30 a 100 milionów stopni Celsjusza – wystarczająco gorąco, aby świecić promieniowaniem rentgenowskim, to jak astronomowie najpierw odkrywają wiele z tego.
Najdalej oddalone galaktyka na rekordu
Rekordy odległości w astronomii zwykle trwają krótko, a GN-z11 jest dobrym przykładem dlaczego. Odkryta za pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble'a i ogłoszona w artykule z 2016 roku, GN-z11 utrzymywała tytuł najstarszej i najdalej oddalonej galaktyki kiedykolwiek zidentyfikowanej w obserwowalnym wszechświecie, z przesunięciem spektroskopowym ku czerwieni z = 10,957, odpowiadającym odpowiedniej odległości około 32 miliardów lat świetlnych – aż Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba znalazł JADES-GS-z13-0 w 2022 roku i przejął rekord.
To sześć lat rządów jest przypomnieniem tego samego schematu widzianego w szacunkach liczby galaktyk: każde pokolenie teleskopu podnosi znane granice wszechświata dalej, a obecny rekordzista to tylko najdalej oddalone galaktyka znaleziona dotąd, niekoniecznie ta, która istnieje.