Галактики - огромные скопления звезд, которые заполняют нашу Вселенную. Но сколько галактик всего во Вселенной? Подсчитать их кажется невыполнимой задачей. Одна проблема - это чистые числа: как только счет достигает миллиардов, требуется время, чтобы произвести сложение. Еще одна проблема - ограниченность наших инструментов. Чтобы получить лучший обзор, телескоп должен иметь большую апертуру (диаметр главного зеркала или линзы) и располагаться над атмосферой, чтобы избежать искажений из-за земного воздуха. Да и то, мы не сможет увидеть все. Вселенная слишком огромна.
Возможно, наиболее ярким примером этого факта является изображение Hubble eXtreme Deep Field (XDF), полученное путем объединения 10-летних фотографий, сделанных космическим телескопом Хаббла. По данным НАСА, телескоп неоднократно наблюдал за небольшим участком неба в течение 50 дней. Если вы держите большой палец на расстоянии вытянутой руки, чтобы закрыть луну, область XDF была бы размером с булавочную головку при таком масштабе. Собирая слабый свет в течение многих часов наблюдений, XDF обнаружил тысячи галактик, как близких, так и очень далеких, что сделало его самым глубоким изображением Вселенной, когда-либо сделанным в то время. Итак, если это единственное маленькое пятно содержит тысячи, представьте, сколько еще галактик можно найти в других пятнах.
По словам Марио Ливио, астрофизика из Научного института космического телескопа в Балтиморе, штат Мэриленд, примерный диапазон составляет от 100 до 200 миллиардов галактик. Ожидается, что после запуска космического телескопа Джеймса Уэбба, обсерватория предоставит еще больше информации о ранних галактиках во Вселенной. Ну а вы усреднено можете считать, что во Вселенной 150 миллиардов галактик плюс минус 50 миллиардов.
Как считали количество Галактик
Насколько известно, Хаббл - лучший инструмент для подсчета и оценки галактик в настоящее время. Телескоп, запущенный в 1990 году, первоначально имел искажение на главном зеркале, которое было исправлено во время полета шаттла в 1993 году. Хаббл также прошел несколько модернизаций до последней миссии шаттла в мае 2009 года.
В 1995 году астрономы направили телескоп на пустую область Большой Медведицы и собрали 10-дневные наблюдения. Результатом стало около 3000 тусклых галактик в одном кадре, тусклые до 30-й величины. Для сравнения, Полярная звезда примерно 2-й величины. Это составное изображение было названо Глубоким полем (обзором) Хаббла и было самым дальним из всех, что когда-либо видели во Вселенной.
Когда телескоп Хаббла обновили свои инструменты, астрономы повторили эксперимент дважды. В 2003 и 2004 годах ученые создали сверхглубокий обзор Хаббла, которое при экспозиции в миллион секунд выявило около 10000 галактик в небольшом пятне в созвездии Форнакс.
В 2012 году, снова используя модернизированные инструменты, ученые использовали телескоп, чтобы рассмотреть часть сверхглубокого обзора. Даже в этом более узком участке астрономы смогли обнаружить около 5500 галактик. Исследователи назвали это eXtreme Deep Field.
В целом, Хаббл обнаруживает около 100 миллиардов галактик во Вселенной или около того, но это число, вероятно, увеличится примерно до 200 миллиардов по мере совершенствования космических технологий. То есть, это предположения, которые все же основаны на некоторых фактических наблюдениях и данных.
Считая звезды
Какой бы инструмент ни использовался, метод оценки количества галактик одинаков. Вы берете часть неба, полученную телескопом (в данном случае Хаббл). Затем - используя отношение полоски неба ко всей вселенной - вы можете определить количество галактик во Вселенной.Это предполагает, что нет большой космической дисперсии, что Вселенная однородна. У нас есть веские основания подозревать, что это так. Это космологический принцип.
Этот принцип восходит к общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Эйнштейн сказал, что гравитация - это искажение пространства и времени. Имея это понимание, несколько ученых (включая Эйнштейна) попытались понять, как гравитация влияет на всю Вселенную.
«Самое простое предположение состоит в том, что если вы посмотрите на содержимое Вселенной достаточно плохим зрением, оно будет примерно одинаковым везде и во всех направлениях», - заявили в НАСА. То есть материя во Вселенной однородна и изотропна при усреднении по очень большим масштабам. Это называется космологическим принципом.
Одним из примеров работы космологического принципа является космический микроволновый фон, излучение, которое является пережитком ранних стадий развития Вселенной после Большого взрыва. Используя такие инструменты, как зонд Уилкинсона для микроволновой анизотропии НАСА, астрономы обнаружили, что реликтовое излучение практически идентично, куда бы вы ни посмотрели. Поэтому сказать совершенно точно, сколько всего галактик во Вселенной невозможно, но назвать приблизительной число можно.
Изменится ли со временем количество галактик?
Измерения расширения Вселенной путем наблюдения за удалением галактик от нас показывают, что ей около 13,82 миллиарда лет. Однако по мере того, как Вселенная становится старше и больше, галактики будут удаляться все дальше и дальше от Земли. Из-за этого их будет труднее увидеть в телескоп.
Вселенная расширяется быстрее скорости света (что не нарушает ограничение скорости Эйнштейна, потому что расширение распространяется на саму Вселенную, а не на объекты, путешествующие по ней). Кроме того, Вселенная ускоряется в своем расширении. Здесь вступает в игру концепция «наблюдаемой вселенной» - вселенной, которую мы можем видеть. По словам ученых, это означает, что через 1–2 миллиарда лет появятся галактики, выходящие за пределы того, что мы можем видеть с Земли. Мы можем видеть свет только от галактик, свет которых успел достичь нас. Это не означает, что это все, что есть во Вселенной. Отсюда и определение наблюдаемой Вселенной.
Галактики также меняются со временем. Наша, Млечный Путь, находится на пути столкновения с соседней галактикой Андромеды и обе сольются примерно через 4 миллиарда лет. Позже другие галактики в нашей Местной группе - самые близкие к нам галактики - в конечном итоге объединятся. И жителям этой будущей галактики (если они, конечно, будут) предстоит наблюдать гораздо более темную вселенную.
Цивилизации, которые возникнут тогда, не будут иметь доказательств того, что существует Вселенная со 100 миллиардами галактик. Они не увидят расширения. Они, вероятно, даже не смогут сказать, что был Большой взрыв.
А как насчет других вселенных?
По мере того, как ранняя Вселенная раздувалась, есть теории, согласно которым разные «карманы» откололись и образовали разные вселенные. Эти разные места могут расширяться с разной скоростью, включать в себя другие типы материи и иметь другие физические законы, чем наша собственная Вселенная.
Ученые указывают, что в этих других вселенных могут быть галактики - если они существуют - но сейчас у нас нет возможности узнать наверняка. Таким образом, количество галактик может превышать 200 миллиардов, если рассматривать другие вселенные. Но в данном случае это теория, которую даже в самом фантастическом и удаленном будущем никак не подтвердить практически.
В нашем собственном космосе астрономы смогут лучше уточнить это число после запуска космического телескопа Джеймса Уэбба (для которого его институт будет управлять операциями миссии и научными исследованиями). Хаббл мог заглянуть назад в галактики, которые сформировались примерно через 450 миллионов лет после Большого взрыва. После запуска Джеймса Уэбба астрономы ожидают, что они смогут оглянуться на период начиная 200 миллионов лет после Большого взрыва.
Вклад Уэбба
Хотя интересно подсчитать количество галактик в нашей Вселенной, астрономов больше интересует, как галактики показывают, как образовалась Вселенная. Согласно НАСА, галактики представляют собой представление о том, как была организована материя во Вселенной - по крайней мере, в крупном масштабе. Ученые также интересуются типами частиц и квантовой механикой на малой стороне спектра. Поскольку телескоп Уэбб может оглянуться назад на ранние дни Вселенной, его информация поможет ученым лучше понять структуры галактик вокруг нас сегодня.
Изучая некоторые из самых ранних галактик и сравнивая их с сегодняшними галактиками, мы можем понять их рост и эволюцию. Уэбб также позволит ученым собирать данные о типах звезд, которые существовали в этих очень ранних галактиках. Последующие наблюдения с использованием спектроскопии сотен или тысяч галактик помогут исследователям понять, как элементы тяжелее водорода образовывались и накапливались в процессе формирования галактик на протяжении веков. Эти исследования также раскроют подробности слияния галактик и прольют свет на этот процесс формирования самой галактики.
По мнению НАСА, вот некоторые из ключевых вопросов, на которые Уэбб ответит о галактиках:
- Как образуются галактики?
- Что придает им форму?
- Как химические элементы распределены по галактикам?
- Как центральные черные дыры галактик влияют на их родительские галактики?
- Что происходит, когда маленькие и большие галактики сталкиваются или соединяются?
Ученых также интересует роль темной материи в формировании галактик. Хотя некоторая часть Вселенной видна в таких формах, как галактики или звезды, темная материя составляет большую часть Вселенной - около 80 процентов. В то время как темная материя невидима в длинах волн света или из-за излучения энергии, исследования галактик, относящиеся к 1950-м годам, показали, что в них присутствует гораздо больше массы, чем то, что можно было бы увидеть невооруженным глазом.
Мощные зеркала Уэбба позволят ученым вблизи рассмотреть формирование галактик, в том числе роль темной материи. Хотя это исследование не дает прямого ответа, сколько галактик существует во Вселенной, оно помогает ученым лучше понять процессы, стоящие за галактиками, которые мы видим, что, в свою очередь, лучше информирует модели о населении галактик.
