Галактики: Їх може бути два трильйони

Астрономи все ще не можуть точно сказати, скільки галактик існує. Поточна оцінка знаходиться десь між 200 мільярдами (2×10^11) і 2 трильйонами, і сам цей діапазон розповідає історію: кожного разу, коли телескопи поліпшувались у виявленні слабких та далеких плям світла, кількість стрибала.

Галактика, у своїй найпростішій формі, - це гравітаційно пов'язана колекція зірок, газу, пилу та темної матерії. Але "галактика" охоплює величезний діапазон об'єктів. Галактики в середньому мають близько 100 мільйонів зірок і коливаються від карликів з менш ніж тисячею зірок до надгігантів зі ста трильйонами зірок, кожна з яких обертається навколо центра мас своєї галактики. Ця стаття розглядає галактики як клас об'єктів – як вони класифікуються, наскільки вони великі, що їх тримає разом і яка наразі володіє рекордом найбільшої відстані.

Hubble Deep Field, надзвичайно довга експозиція відносно порожнистої ділянки неба, дала астрономам їхній перший реальний усвідомлення питання: вона надала докази приблизно 125 мільярдів (1,25×10^11) галактик у Спостережуваному Всесвіті. Ця цифра видавалась авторитетною протягом років, головним чином тому, що вона походила з найглибшого зображення, яке космічні телескопи коли-небудь виробляли.

Потім, у 2016 році, дослідження під керівництвом Крістофера Конселіса з Університету Ноттінгема, опубліковане в The Astrophysical Journal, об'єднало багато додаткових джерел даних і підняло оцінку на мінімум два трильйони (2×10^12) галактик у Спостережуваному Всесвіті до зміщення z=8 – приблизно в десять разів більше, ніж безпосередньо видно на зображеннях Хаббла. Розрив між двома цифрами не є помилкою в жодному дослідженні; це відображає, скільки галактик занадто слабкі, занадто малі або занадто далекі навіть для орієнтирного зображення, такого як Hubble Deep Field, щоб вирішити їх індивідуально.

Більшість галактик мають діаметр 1000-100000 парсеків, або приблизно 3000-300000 світлових років, і вони відділені від своїх сусідів на відстані порядку мільйонів парсеків. Цей розрив важливий: власний діаметр типової галактики вимірюється в тисячах світлових років, але порожній простір між нею та наступною галактикою вимірюється в мільйонах.

У цьому діапазоні від 1000 до 100000 парсеків проходить величезний розпил популяцій. Карликова галактика може містити менш ніж тисячу зірок, тоді як надгігант може містити близько сто трильйонів – різниця приблизно в одинадцять порядків величини в кількості зірок між найменшими та найбільшими відомими галактиками.

Зірки та світіння газ - це те, що робить галактику видимою, але вони не становлять більшість її маси. Більшість маси у типовій галактиці знаходиться у формі темної матерії, причому лише кілька відсотків цієї маси видні у формі зірок та туманностей. Іншими словами, яскраво освітлений диск або балж, який з'являється на фотографії, є тонким видимим шаром над чимось набагато більш масивним, який взагалі не випромінює світло.

Знак, який це розкрив, походив від руху, а не від світла. У 1970-х роках астроном Віра Рубін виявила розбіжність між спостережуваною швидкістю обертання галактик і швидкістю, передбаченою тільки видимою масою їхніх зірок та газу. Зірки далеко від центру галактики рухалися швидше, ніж могла пояснити видима матерія – саме той тип невідповідності, який вказує на великий резервуар невидимої маси, яка тримає галактику разом.

Більшість галактик сортується за допомогою послідовності Хаббла, схеми морфологічної класифікації галактик, опублікованої Едвіном Хаббелом у 1926 році. Незважаючи на те, що вона носить його ім'я, вона була винайдена Джоном Генрі Рейнольдсом та сером Джеймсом Джинсом; Хаббл популяризував та опублікував схему, а не виділив її.

Еліптична гілка послідовності має свою внутрішню шкалу. Еліптичні галактики оцінюються від E0 до E7, дотримуючись конвенції, в якій номер класу в десять разів більший за еліптичність галактики, округлений до найближчого цілого числа – отже, майже кругла галактика на небі читається як E0, а сплощена та видовжена – як E7.

Між еліптичною гілкою та двома спіральними гілками класичної діаграми камертона лежить третя група. У центру камертона Хаббла, де сходяться дві спіральні гілки галактик та еліптична гілка, знаходиться проміжна класи галактик, відомих як лінзоподібні і позначених символом S0 – ні явно еліптична, ні явно спіральна, а проміжна форма.

Еліптичні також виробляють найбільші відомі галактики. Найбільші галактики - це надгіганти еліптичні, також звані галактиками типу cD – окреме позначення від звичайного еліптичного класу, зарезервоване для справжніх гігантів.

Навіть якщо відкинути клас надгігантів, звичайні еліптичні галактики в одиночку охоплюють величезний діапазон: вони суттєво відрізняються як за розміром, так і за масою, з діаметрами від 3000 світлових років до понад 700000 світлових років та масами від 10^5 до майже 10^13 сонячних мас. Цей верхній кінець діапазону в 200 разів ширший за нижній кінець.

Еліптична галактика здобула інший рекорд. M87 (NGC 4486) є домом надмасивної чорної діри, яка стала першою чорною дирою, коли-небудь сфотографованою, телескопом Event Horizon – перетворюючи галактику, вже примітну за розміром, на джерело першого прямого зображення тіні чорної діри.

Не кожне галактичне ядро сидить тихо. Деякі яскраво світяться від радіації, а найекстремальніші випадки - це квазари. Відстані між відомими квазарами надзвичайно варіюються: найближчий відомий квазар, Markarian 231, знаходиться приблизно 581 мільйон світлових років від Землі, тоді як інші були виявлені настільки далеко, як UHZ1, приблизно 13,2 мільярди світлових років - розрив більш ніж у двадцять два рази більший від відстані.

Радіохвилі розкривають інший тип екстремальної галактики. Alcyoneus - це радіогалактика з найбільшим спостережуваним радіовипромінюванням з будь-якої відомої галактики, її часточкові структури охоплюють 5 мегапарсеків, або 16×10^6 світлових років. Для порівняння, іншою подібно великою радіогалактикою є 3C 236, з часточками 15 мільйонів світлових років - це означає, що радіочасточки Alcyoneus сама простягаються далі, ніж багато цілих скупчень галактик.

Галактики рідко існують в ізоляції; більшість належить до більших структур, утримуваних разом гравітацією. Скупчення галактик зазвичай містить 100-1000 галактик, гарячий газ, що випромінює рентгенівське випромінювання, та велику кількість темної матерії, з загальними масами від 10^14 до 10^15 сонячних мас та діаметрами від 1 до 5 мегапарсеків.

Протягом десятиліть скупчення мали звання найбільших речей у Всесвіті: вони вважалися найбільшими відомими структурами Всесвіту до 1980-х років, коли були виявлені надскупчення та витіснили їх з першого місця.

Газ, який заповнює скупчення, все що завгодно, але не холодна. Нагрітий газ внутрішньокластерного середовища має пікову температуру від 30 до 100 мільйонів градусів Цельсія – достатньо гарячого, щоб світити рентгенівськими променями, як астрономи виявляють більшість його з самого початку.

Рекорди відстані в астрономії, як правило, короткотривалі, і GN-z11 є хорошим прикладом того, чому. Виявлена з Космічним телескопом Хаббла та оголошена в статті 2016 року, GN-z11 володіла звичаєм найстарішої та найбільш віддаленої галактики, коли-небудь ідентифікованої у Спостережуваному Всесвіті, зі спектроскопічним червоним зміщенням z = 10,957, відповідаючи власній відстані приблизно 32 мільярди світлових років – поки Космічний телескоп Джеймса Вебба не знайшов JADES-GS-z13-0 у 2022 році і не взяв рекорд.

Це шістьох років панування - нагадування про той самий паттерн, видимий в оцінках кількості галактик: кожне покоління телескопа відштовхує відомі краї Всесвіту далі, а поточний рекордсмен - це просто найбільш віддалена галактика, яку хтось знайшов так далеко, а не обов'язково найбільш віддалена, яка існує.

• Wikipedia: Галактика
• Wikipedia: Послідовність Хаббла
• Wikipedia: Еліптична галактика
• Wikipedia: Скупчення галактик
• Wikipedia: GN-z11