Astronomer kan fortfarande inte säga exakt hur många galaxer som finns. Den nuvarande uppskattningen är någonstans mellan 200 miljarder (2×10^11) och 2 biljoner, och detta intervall i sig berättar en historia: varje gång teleskop blev bättre på att plocka svaga, avlägsna ljusprickar, blev antalet sprungit.
En galax, på sitt enklaste, är en gravitationsgebunden samling av stjärnor, gas, damm och mörk materia. Men "galax" omfattar ett enormt spektrum av objekt. Galaxer innehåller i genomsnitt cirka 100 miljoner stjärnor, och sträcker sig från dvärgar med mindre än tusen stjärnor till superjättar med hundra biljoner stjärnor, var och en i omloppsbana runt galaxens masscentrum. Denna artikel undersöker galaxer som en klassklass – hur de klassificeras, hur stora de blir, vad som håller dem tillsammans, och vilken för närvarande innehar rekordet för längsta vägen.
Hur många galaxer finns det ute?
Hubble Deep Field, en extremt långt exponering av en relativt tom himmelsdel, gav astronomerna sitt första verkliga grepp om frågan: det tillhandahöll bevis på cirka 125 miljarder (1,25×10^11) galaxer i det observerbara universum. Det numret såg auktoritativt ut i många år, främst för att det kom från den djupaste bilden som rymdteleskop någonsin hade producerat.
Sedan, 2016, kombinerade en studie ledd av Christopher Conselice från University of Nottingham, publicerad i The Astrophysical Journal, många ytterligare datakällor och drev uppskattningen till minst två biljoner (2×10^12) galaxer i det observerbara universum ner till rödförskjutning z=8 – ungefär tio gånger mer än vad som direkt ses i Hubble-bilder. Gapet mellan de två siffrorna är inte ett misstag i någon av studierna; det återspeglar hur många galaxer som är för svaga, för små eller för långt borta för även en landemärkebild som Hubble Deep Field för att lösa individuellt.
Från dvärgar till superjättar
De flesta galaxer är 1 000 till 100 000 parsec i diameter, eller ungefär 3 000 till 300 000 ljusår, och de är separerade från sina grannar efter avstånd i storleksordningen miljoner parsec. Det gapet är viktigt: en typisk galaxs egen bredd mäts i tusentals ljusår, men det tomma utrymmet mellan den och nästa galax mäts i miljoner.
Inom detta intervall från 1 000 till 100 000 parsec sitter en enorm spridning av populationer. En dvärggalax kan hålla mindre än tusen stjärnor, medan en superjätte kan hålla omkring hundra biljoner – en skillnad på omkring elva storleksordningar i stjärnantal mellan de minsta och största kända galaxerna.
Det mesta av en galax kan du inte se
Stjärnor och lysande gas är det som gör en galax synlig, men de utgör inte större delen av dess massa. Det mesta av massan i en typisk galax är i form av mörk materia, med bara några få procent av den massan synlig i form av stjärnor och nebulor. Med andra ord är den ljusa skivan eller utbukningen som visas i ett foto ett tunt synligt lager över något mycket massivare som inte utstrålar något ljus alls.
Ledtråden som avslöjade detta kom från rörelse, inte ljus. På 1970-talet fann astronomen Vera Rubin en diskrepans mellan den observerade rotationshastigheten för galaxer och den hastighet som förutsägs från endast den synliga massan från deras stjärnor och gas. Stjärnor långt bort från mitten av en galax rörde sig snabbare än den synliga materien kunde förklara – exakt den typ av missuppfattning som pekar mot ett stort lager av osynlig materia som håller galaxen samman.
Ett sorteringssystem som Hubble inte uppfann
De flesta galaxer sorteras med hjälp av Hubble-sekvensen, ett morfologiskt klassificeringssystem för galaxer publicerat av Edwin Hubble 1926. Trots att det bär hans namn, uppfanns det av John Henry Reynolds och Sir James Jeans; Hubble populariserade och publicerade schemat snarare än att uppfinna det.
.jpg){kind=link}
Sekvensens elliptiska gren har sin egen interna skala. Elliptiska galaxer graderas från E0 till E7, efter en konvention där klassnumret är tio gånger galaxens ellipticitet, rundad till närmaste heltal – så en nästan cirkulär galax på himlen läses som E0, och en tillplattad, långsträckt läses som E7.
Mellan den elliptiska grenen och de två spiralgrenarna i det klassiska stämgaffelldiagrammet sitter en tredje grupp. I centrum av Hubble-stämgaffeln, där de två spiralgalaxgrenarna och den elliptiska grenen konvergerar, ligger en mellanklasscell av galaxer känd som lentikulärer och betecknad med symbolen S0 – varken tydligt elliptisk eller tydligt spiral, utan en form däremellan.
De största formerna i det kosmiska zoo
Elliptiska producerar också de största kända galaxerna. De största galaxerna är superjättiga elliptiska, också kallade cD-typgalaxer – en separat beteckning från den vanliga elliptiska klassen, reserverad för de verkliga jättarna.
Även utan superjätteklassen, vanliga elliptiska galaxer ensamma täcker ett enormt område: de varierar mycket både i storlek och massa, med diametre från 3 000 ljusår till över 700 000 ljusår och massor från 10^5 till nästan 10^13 solmassor. Det övre änden av området är väl över 200 gånger bredare än den nedre änden.
En elliptisk galax tjänade ett annat rekord. M87 (NGC 4486) är hem till det supermassiva svarta hålet som blev det första svarta hålet någonsin fotograferat, av Event Horizon Telescope – vilket gör en galax redan märklig för sin storlek till källan till den första direktbilden av ett svart håls skugga.
När en galaxs kärna tänds upp
Inte alla galaktiska kärnor sitter stilla. Några glöder av strålning, och de mest extrema fallen är kvarsarer. Avstånden mellan kända kvarsarer varierar enormt: den närmaste kända kvarsaren, Markarian 231, är cirka 581 miljoner ljusår från jorden, medan andra har upptäckts så långt bort som UHZ1, cirka 13,2 miljarder ljusår bort – ett gap på mer än tjuotvå gånger avståndet.
.jpg){kind=link}
Radiovågor avslöjar en annan typ av extrem galax. Alcyoneus är en radiogalax med den största observerade radioemissionen av någon känd galax, dess kluvna strukturer som sträcker sig 5 megaparsec, eller 16×10^6 ljusår. Till jämförelse är en annan likartad stor radiogalax 3C 236, med kluvna 15 miljoner ljusår breda – vilket betyder att Alcyoneus radiokluvar ensam sträcker sig längre än många helt galaxhopar.
Bundna tillsammans i miljarder
Galaxer existerar sällan i isolering; de flesta tillhör större strukturer som hålls samman av gravitation. En galaxhop innehåller vanligen 100 till 1 000 galaxer, varm röntgenstrålningsemitterande gas och stora mängder mörk materia, med totala massor på 10^14 till 10^15 solmassor och diametre från 1 till 5 megaparsec.
I årtionden höll hopar titeln för de största sakerna i universum: de antogs vara de största kända strukturerna i universum fram till 1980-talet, då superhopar upptäcktes och förskjutna dem från första plats.
Gasen som fyller en hop är allt annat än kall. Den uppvärmda intrahop-mediugasen har en toptemperatur mellan 30 och 100 miljoner grader Celsius – tillräckligt varm för att glöda i röntgenstrålar, vilket är hur astronomer först hittar mycket av den.
Den längsta galaxen på rekord
Avståndsrekord i astronomi tenderar att vara kortlivade, och GN-z11 är ett bra exempel på varför. Upptäckt med Hubble Space Telescope och tillkännagiven i en 2016-papper, höll GN-z11 titeln på den äldsta och längsta galaxen som någonsin identifierats i det observerbara universum, med en spektroskopisk rödförskjutning av z = 10,957, motsvarande ett korrekt avstånd på cirka 32 miljarder ljusår – tills James Webb Space Telescope hittade JADES-GS-z13-0 2022 och tog över rekordet.
Detta sex år långa styre är en påminnelse om samma mönster som ses i galaksantalsuppskattningarna: varje teleskopgenerering skjuter de kända universmens kanter längre ut, och den nuvarande rekordhållaren är bara den längsta galaxen någon har hittat hittills, inte nödvändigtvis den längsta som finns.