Ile jest galaktyk – co mówią naukowcy?

Wszechświat jest tak duży, że odpowiedź na pytanie o liczbę galaktyk nie brzmi jak proste „tyle i tyle”. Naukowcy liczą tylko tę część kosmosu, którą da się obserwować, a i tam wynik zależy od czułości teleskopów oraz sposobu interpretacji danych. To ważne, bo liczba galaktyk mówi nie tylko o skali wszechświata, ale też o jego historii, tempie powstawania gwiazd i ewolucji materii. I właśnie dlatego szacunki zmieniały się z czasem: od setek miliardów do nawet kilku bilionów w obserwowalnym wszechświecie. Różnica jest ogromna, ale nie wynika z chaosu — tylko z coraz lepszych metod patrzenia w bardzo daleką przeszłość.

Ile galaktyk jest we wszechświecie?

Najuczciwsza odpowiedź brzmi: nie wiadomo dokładnie. Da się jednak mówić o sensownych przedziałach. Przez długi czas często podawano liczbę około 100–200 miliardów galaktyk w obserwowalnym wszechświecie. Późniejsze analizy bardzo głębokich obserwacji sugerowały, że rzeczywista liczba może być dużo większa — nawet rzędu kilku bilionów.

To nie jest sprzeczność. Mniejsza liczba dotyczy głównie galaktyk, które umiemy dziś zobaczyć bezpośrednio albo oszacować z dużą pewnością. Większa bierze pod uwagę również mnóstwo małych, bardzo słabych i odległych galaktyk, które były powszechne we wczesnym wszechświecie, ale znikają poniżej progu detekcji.

W praktyce nauka mówi dziś raczej o przedziale niż o jednej liczbie: widocznych i dobrze uchwytnych galaktyk są setki miliardów, a po uwzględnieniu bardzo słabych i dawnych obiektów liczba może rosnąć do bilionów.

Trzeba też doprecyzować jedną rzecz: mowa o obserwowalnym wszechświecie, czyli tej części kosmosu, z której światło zdążyło do nas dotrzeć od początku istnienia wszechświata. Co znajduje się dalej, pozostaje poza zasięgiem obserwacji. Tam galaktyk może być niewyobrażalnie więcej.

Dlaczego tak trudno to policzyć?

Galaktyka nie jest punktem na mapie, który wystarczy odhaczyć. To rozmyty zbiór gwiazd, gazu, pyłu i ciemnej materii, często bardzo słaby i zniekształcony przez ogromne odległości. Im dalej patrzy teleskop, tym bardziej patrzy w przeszłość — a to oznacza, że widzi galaktyki młodsze, mniejsze i trudniejsze do odróżnienia od tła.

Do tego dochodzi problem samej definicji. Duża spiralna galaktyka jest łatwa do rozpoznania, ale co z małymi, nieregularnymi strukturami z początków kosmosu? Czy każdą taką skupioną wyspę materii należy liczyć osobno? W pewnych zakresach danych granica bywa mniej oczywista, niż mogłoby się wydawać.

W grę wchodzą też ograniczenia techniczne:

• czułość instrumentów — słabe galaktyki po prostu giną w szumie,
• rozdzielczość — dalekie obiekty mogą zlewać się ze sobą,
• przesunięcie ku czerwieni — światło bardzo odległych galaktyk trafia do nas w innych zakresach niż pierwotnie,
• mały wycinek nieba — wiele wniosków opiera się na ekstrapolacji z niewielkich fragmentów obserwacji.

To ostatnie jest szczególnie ważne. Głębokie zdjęcia nieba pokazują maleńki obszar, ale na nim widać tysiące galaktyk. Następnie taki wynik przelicza się na całe niebo. Metoda działa, lecz zawsze niesie ze sobą margines niepewności.

Skąd wzięło się „100 miliardów”, a skąd „2 biliony”?

Liczba około 100–200 miliardów weszła do popularnego obiegu dlatego, że przez lata dobrze oddawała stan obserwacji. Wynikała z liczenia galaktyk na głębokich zdjęciach nieba i przeskalowania tych wyników na cały obserwowalny wszechświat. To był rozsądny, roboczy obraz kosmosu: ogromny, ale jeszcze dający się ująć w konkretną liczbę.

Później pojawiły się analizy sugerujące, że znana część to tylko wierzchołek góry lodowej. W młodym wszechświecie mogło istnieć bardzo dużo małych, słabych galaktyk, które później łączyły się w większe układy. Jeśli uwzględnić takie „niewidoczne tłumy”, liczba rośnie do około 2 bilionów, a nawet więcej w zależności od modelu.

To nie znaczy, że ktoś wcześniej źle liczył. Po prostu wcześniejsze liczby opierały się bardziej na tym, co udało się wykryć bezpośrednio. Nowsze szacunki próbują odtworzyć także to, czego nie widać, ale co powinno istnieć zgodnie z obserwowaną strukturą i ewolucją kosmosu.

Różnica między setkami miliardów a bilionami nie wynika z błędu, tylko z pytania, co dokładnie ma być liczone: tylko to, co już widać, czy również to, co powinno istnieć poniżej granicy wykrywalności.

Jak naukowcy liczą galaktyki?

Nie odbywa się to przez ręczne liczenie obiektów na jednym zdjęciu i wpisywanie ich do tabeli. Stosuje się zestaw metod, które łączą obserwacje z modelami statystycznymi. Im głębsze dane, tym lepiej można oszacować populację bardzo słabych galaktyk.

Najprostszy schemat wygląda tak:

1. Wybiera się fragment nieba i wykonuje bardzo głęboką obserwację.
2. Rozpoznaje się obiekty, które z dużym prawdopodobieństwem są galaktykami.
3. Określa się ich jasność, rozmiary i przybliżoną odległość.
4. Tworzy się rozkład liczby galaktyk w zależności od epoki kosmicznej.
5. Ekstrapoluje się wynik na obiekty zbyt słabe, by były widoczne bezpośrednio.

Brzmi prosto, ale w praktyce to skomplikowana układanka. Część galaktyk jest zasłonięta pyłem, część świeci głównie w podczerwieni, część ma kształty tak nieregularne, że trudno je klasyfikować. Do tego jedna metoda dobrze działa dla bliskich obiektów, a inna dla bardzo dawnych.

Duże znaczenie ma też porównywanie różnych długości fal. Galaktyka słabo widoczna w świetle widzialnym może być wyraźniejsza w podczerwieni albo w zakresie radiowym. Dopiero złożenie tych danych daje pełniejszy obraz.

Czy wszystkie galaktyki są do siebie podobne?

Nie, i to właśnie utrudnia liczenie. W szkolnych ilustracjach najczęściej pojawiają się galaktyki spiralne, eleganckie i czytelne. Tymczasem we wszechświecie jest cała masa układów nieregularnych, karłowatych, zderzających się albo dopiero formujących.

Małe galaktyki karłowate są szczególnie ważne dla całej układanki. To one mogą odpowiadać za znaczną część różnicy między ostrożniejszymi a wyższymi szacunkami. Są słabe, trudne do wykrycia, ale prawdopodobnie bardzo liczne.

W dodatku galaktyki nie są stałe. Łączą się ze sobą, pochłaniają mniejsze sąsiadki, tracą gaz, przekształcają się. Jeśli spojrzeć na bardzo odległy wszechświat, widoczny jest etap, w którym małych obiektów było więcej niż dziś. To oznacza, że odpowiedź na pytanie „ile jest galaktyk?” zależy także od tego, w jakim momencie historii kosmosu zadawane jest to pytanie.

Co wiadomo o Drodze Mlecznej na tle innych galaktyk?

Droga Mleczna jest tylko jedną z niezliczonych galaktyk, ale dla człowieka ma znaczenie szczególne, bo to kosmiczny adres Ziemi. Należy do większych galaktyk spiralnych i zawiera setki miliardów gwiazd. Już sam ten fakt pokazuje skalę problemu: skoro jedna galaktyka może mieć tak wiele gwiazd, to liczba gwiazd we wszystkich galaktykach idzie w wartości trudne do intuicyjnego ogarnięcia.

Na tym tle łatwo zrozumieć, dlaczego naukowcy wolą mówić o szacunkach niż o twardych deklaracjach. Nawet najbliższe otoczenie Drogi Mlecznej nie jest policzone raz na zawsze. Co pewien czas odkrywane są kolejne małe galaktyki satelitarne albo obiekty, które wcześniej zlewały się z tłem.

To działa też w większej skali. Skoro w lokalnym sąsiedztwie wciąż znajdują się nowe, słabe układy, tym bardziej można się spodziewać, że w odległym wszechświecie czeka ich ogromna liczba.

Co mogą zmienić przyszłe obserwacje?

Prawdopodobnie nie padnie jedna ostateczna liczba, która zamknie temat na zawsze. Bardziej realny jest scenariusz, w którym zawęża się zakres niepewności. Coraz lepsze obserwacje podczerwone, dokładniejsze mapy nieba i lepsze modele ewolucji galaktyk pozwalają odsłaniać populacje obiektów, które wcześniej były praktycznie niewidzialne.

Możliwe są dwa kierunki zmian. Albo potwierdzi się, że biliony galaktyk to dobry rząd wielkości dla obserwowalnego wszechświata, albo okaże się, że część tych szacunków była zbyt hojna i rzeczywista liczba jest niższa, ale wciąż wyraźnie większa od dawnych 100–200 miliardów. W obu przypadkach wniosek pozostaje ten sam: kosmos jest gęściej „zaludniony” galaktykami, niż jeszcze niedawno sądzono.

Najciekawsze jest chyba to, że pytanie pozornie proste prowadzi do bardzo głębokiej refleksji o granicach obserwacji. Nie chodzi tylko o policzenie obiektów na niebie. Chodzi o zrozumienie, ile z rzeczywistości naprawdę widać, a ile trzeba dopiero wydobyć z danych, modeli i cierpliwego porównywania sygnałów z różnych epok wszechświata.

Na dziś najbezpieczniej przyjąć jedno: w obserwowalnym wszechświecie istnieją co najmniej setki miliardów galaktyk, a bardzo możliwe, że biliony. Tyle wystarczy, by spojrzeć na nocne niebo z odrobiną pokory — i z bardzo konkretną świadomością, że każdy jasny punkt to ledwie początek znacznie większej historii.