Kiek visatoje yra galaktikų? Svaiginantys skaičiai, kokia beprotiškai milžiniška Visata ir kaip viską galima suskaičiuoti

Neseniai 30 metų jubiliejų atšventęs Hubble, netgi geriausios formos galėjo parodyti gal 10 % viso, kas yra. Štai kaip pamatoma vis kita.

Žvelgiant į nakties dangų, regint žvaigždžių šydą ir Paukščių Taką, sunku nepasijusti dulkele priešais atsiveriančios visatos akivaizdoje. Ir tai netgi žinant, kad regimojoje visatoje, besitęsiančioje dešimtis milijardų šviesmečių visomis kryptimis, plika akimi nematome praktiškai jokių iš nesiskaičiuojamos daugybės galaktikų.

Kiek tiksliai tų nesuskaičiuojamų galaktikų yra, buvo paslaptis, o vis tobulėjant teleskopams, spėlionių spektras plėtėsi nuo tūkstančių iki milijonų ir milijardų. Jei reikėtų pateikti įvertinimą dabar, naudojant geriausias dabartines technologijas, pasakytume, kad visatoje yra 170 milijardų galaktikų. Bet žinome daugiau ir modernūs vertinimai yra kur kas didesni: du trilijonai galaktikų. Štai kaip šis skaičius gaunamas.

Idealiame pasaulyje paprasčiausiai jas visas suskaičiuotume. Nukreiptume teleskopus į dangų, peržiūrėtume kiekvieną jo lopinėlį, surinktume visus link mūsų lekiančius fotonus, ir aptiktume visus objektus, kad ir kokie blankūs jie bebūtų. Turėdami idealią technologiją ir neribotus išteklius, paprasčiausiai išmatuotume viską Visatoje, ir taip sužinotume, kiek gi tų galaktikų yra.

Bet praktikoje to atlikti nepavyks. Mūsų teleskopų dydis ribotas, o tai savo ruožtu riboja ir surenkamų fotonų skaičių ir pasiekiamą kampinę raišką. Tenka rinktis tarp to, kokio blankumo objektą galima išvysti ir kokį dangaus plotą vienu metu galima stebėti. Dalį visatos vaizdo užstoja materija. O kuo tolesnis objektas, tuo jis atrodo blankesnis; galiausiai šaltinis yra taip toli, kad netgi stebeilydamiesi šimtą metų, tokios galaktikos neišvystume.

Tad, tegalime žiūrėti į kuo tolesnę skaidrią visatos dalį, kur vaizdo neužstoja materija, žvaigždės ar galaktikos. Kuo ilgiau stebimas vienas dangaus plotelis, tuo daugiau šviesos surenkama ir tuo daugiau galima pamatyti. Pirmą kartą tai buvo atlikta XX amžiaus dešimtojo dešimtmečio viduryje, Hubble kosminiu teleskopu, nukreiptu į dangaus plotelį, kuriame, kaip žinota praktiškai nieko nėra, ir paprasčiausiai stebint tą plotą ir laukiant, ką visata atskleis.

Tai buvo viena iš rizikingiausių visų laikų stebėjimo strategijų. Jeigu ji nebūtų pasiteisinusi, tai būtų buvęs naujai pataisyto ir visų karštai trokštamo Hubble kosminio teleskopo daugiau nei savaitės stebėjimo laiko švaistymas. Bet sėkmės atveju, turėjo atsiverti dar niekados nematytos visatos vaizdas.

Rinkome šimtų orbitų, daugybės skirtingų bangų ilgių duomenis, tikėdamiesi išvysti galaktikas, kurios buvo blankesnės, tolimesnė ir sunkiau įžiūrimos, nei kada nors regėtos anksčiau. Tikėjomės išsiaiškinti, kaip iš tiesų atrodo ultratolima visata. Ir kai pagaliau buvo apdoroti ir paviešinti pirmieji atvaizdai, išvydome vaidą, nepanašų į jokį kitą.

Galaktikos buvo kur bežvelgėme, visomis kryptimis. Ne kelios, bet tūkstančių tūkstančiai. Visata nebuvo tuščia ir tamsi; joje pilna šviesą skleidžiančių objektų. Ir kaip toli bežvelgėme, visur buvo pilna susibūrusių žvaigždžių ir galaktikų.

Bet buvo ir kitų ribų. Tolimiausios galaktikos tolsta dėl visatos plėtimosi, ir dėl raudonojo poslinkio jų šviesos bangos tampa ilgesnės nei gali fiksuoti optiniai ar artimojo infraraudonojo spinduliavimo teleskopai (tokie kaip Hubble). Dėl baigtinio dydžio ir stebėjimo laiko tegalime matyti ryškesnes už tam tikrą ribą galaktikas. O labai mažos, nedidelės masės galaktikos, kaip šalia mūsų esanti Segue 3, būtų gerokai per blanki ir per maža, kad ją galėtume pastebėti.

Taigi, dešimtojo dešimtmečio vidurio atvaizdų ribas peržengti galėtume, bet visų galaktikų net ir tada negalėtume suskaičiuoti. Geriausias bandymas tai atlikti buvo Hubble eXtreme Deep Field (XDF), sudėtinis atvaizdas iš ultravioletinio, optinio ir infraraudonojo spinduliavimo duomenų. 23 dienas buvo renkami duomenys iš tokio mažo dangaus plotelio, kad norint pažiūrėti visomis galimomis kryptimis, tektų atlikti 32 milijonus stebėjimų.

Sudėjus visus duomenis į vieną atvaizdą, atsiskleidė kai kas nematyto: iš viso maždaug 5 500 galaktikų. Tai yra didžiausias galaktikų tankis, kada nors stebėtas tokiame siaurame erdvės plote.

Tad, galima pagalvoti, kad numanomą Visatos galaktikų skaičių galima būtų gauti, tiesiog padauginus šiame atvaizde esančių galaktikų skaičių tokių plotelių skaičiaus danguje.

Tiesą sakant, tai atlikus, skaičius įspūdingas: 5500 padauginus iš 32 milijonų, gauname 176 milijardus galaktikų.

Bet tai nėra galutinis vertinimas, o tik apatinė riba. Tokiame vertinime neatsižvelgiama į pernelyg blankias, pernelyg mažas, ar pernelyg arti kitų kitų galaktikų esančias galaktikas. Niekaip neapskaitomos galaktikos, dengiamos neutralių dujų ir dulkių, ar esančios už Hubble raudonojo poslinkio galimybių ribos. Tačiau, kadangi egzistuoja šios artimos galaktikos, jų turėtų būti ir jaunoje, tolimoje Visatoje.

Didžiausias būtinas tikro įvertinimo ingredientas yra tikslios žinos, kaip formuojasi Visatos struktūra. Atlikus simuliaciją, kurioje iš pradžių yra:

• Visatą sudarantys ingredientai,
• tinkamos, mūsų realybę atspindinčios, pradinės sąlygos,
• ir teisingai gamtą aprašantys fizikos dėsniai,

galime simuliuoti tokios Visatos raidą. Galime simuliuoti, kada atsirado žvaigždės, kada gravitacija sutraukia materiją į pakankami dideles santalkas, kad atsirastų galaktikos, ir palyginti simuliacijų prognozes su stebėjimų duomenimis.

Keista, bet ankstyvoje Visatoje buvo daugiau galaktikų, nei yra dabar. Bet nekeista, kad jos mažesnės, ne tokios masyvios ir besijungiančios į dabar Visatoje dominuojančias senas spirales ir elipses. Geriausiai realybę atitinkančiose simuliacijose atsižvelgiama į tamsiąją materiją, tamsiąją energiją, ir mažas pradines fluktuacijas, kurios, bėgant laikui išauga į žvaigždes, galaktikas ir galaktikų spiečius.

Įstabiausia, kad žvelgdami į geriausiai stebėjimų duomenis atitinkančias simuliacijas, remdamiesi geriausiu supratimu, galime išskirti, kurie struktūros gurvuoliai turėtų atitikti galaktikas mūsų Visatoje.

Taip skaičiuojant, gaunamas ne apatinės ribos, bet vidutinis tikrojo galaktikų skaičiaus regimojoje Visatoje vertinimas. Tai koks gi tas skaičius?

Dabartiniais duomenimis, regimojoje Visatoje turėtų būti du trilijonai galaktikų.

Šis skaičius labai smarkiai skiriasi nuo apatinės ribos įvertinimo, gauto Hubble eXtreme Deep Field atvaizdu. Jei Visatoje iš dviejų trilijonų galaktikų galime matyti tik 176 milijardus, tai daugiau nei 90 % galaktikų yra nematomos netgi geriausiomis observatorijomis, netgi nenutrūkstamai žiūrint beveik mėnesį.

Ilgainiui galaktikos susiliedavo ir augo, tačiau dar ir dabar yra išlikusių ir mažų, blankių galaktikų. Netgi mūsų Vietinėje Grupėje vis atrandame galaktikų, kuriose tėra tūkstančiai žvaigždžių, ir dabar tokių galaktikų žinome daugiau nei 70. Blankiausios, mažiausios, tolimiausios galaktikos vis dar neatrastos, tačiau žinome, kad jos ten turi būti. Pirmą kartą galime moksliškai paskaičiuoti, kiek Visatoje yra galaktikų.

Kitas didžiosios kosminės dėlionės sprendimo žingsnis – rasti ir charakterizuoti jų kuo daugiau, bei suprasti, kaip Visata augo. James Webb kosminiu teleskopu ir naujos kartos antžeminėmis observatorijomis, tarp kurių LSST, GMT, ir ELT, pažvelgsime į lig šiol neregėtą Visatą.