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.

Dailininko logaritmine skale pavaizduota regimosios visatos koncepcija. Galaktikos sukuria didelio mastelio struktūrą ir pakraščiuose – karštą, tankią Didžiojo Sprogimo plazmą. Bandymai išsiaiškinti, kike galaktikų egzistuoja Visatoje – viena iš didžiausių dabartinių kosmologijos užduočių.
Dailininko logaritmine skale pavaizduota regimosios visatos koncepcija. Galaktikos sukuria didelio mastelio struktūrą ir pakraščiuose – karštą, tankią Didžiojo Sprogimo plazmą. Bandymai išsiaiškinti, kike galaktikų egzistuoja Visatoje – viena iš didžiausių dabartinių kosmologijos užduočių.
© WIKIPEDIA USER PABLO CARLOS BUDASSI

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.

Tolimiausiais galaktikų stebėjimais galime aptikti už dešimčių milijardų šviesmečių esančius objektus, bet netgi naudojant idealią technologiją, tarp tolimiausių galaktikų ir Didžiojo Sprogimo bus didelis tarpas. Tam tikrame taške mūsų instrumentai paprasčiausiai nebegali jų visų pamatyti.
Tolimiausiais galaktikų stebėjimais galime aptikti už dešimčių milijardų šviesmečių esančius objektus, bet netgi naudojant idealią technologiją, tarp tolimiausių galaktikų ir Didžiojo Sprogimo bus didelis tarpas. Tam tikrame taške mūsų instrumentai paprasčiausiai nebegali jų visų pamatyti.
© SLOAN DIGITAL SKY SURVEY (SDSS)

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.

Dabar matomos žvaigždės ir galaktikos nebūtinai egzistuoja, ir kuo toliau žiūrime, tuo Visata atrodo tolygesnė, bet yra tolygumo riba, kurios ji negali peržengti, nes antraip nebūtų galėjusi susiformuoti mūsų matoma struktūra. Norint tai paaiškinti, Didįjį Sprogimą reikia modifikuoti kosmologine infliacija.
Dabar matomos žvaigždės ir galaktikos nebūtinai egzistuoja, ir kuo toliau žiūrime, tuo Visata atrodo tolygesnė, bet yra tolygumo riba, kurios ji negali peržengti, nes antraip nebūtų galėjusi susiformuoti mūsų matoma struktūra. Norint tai paaiškinti, Didįjį Sprogimą reikia modifikuoti kosmologine infliacija.
© NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI)

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.

Tuščias dangaus plotas, parodytas L raidės formos rėmeliu, buvo pasirinktas pirmajam Hubble Deep Field atvaizdui. Jame nebuvo jokių žinomų žvaigždžių ar galaktikų, dujų ar dulkių debesų, ar bet kokių kitų žinomų materijos tipų – tai buvo ideali vieta stebeilytis į tuščios visatos bedugnę.
Tuščias dangaus plotas, parodytas L raidės formos rėmeliu, buvo pasirinktas pirmajam Hubble Deep Field atvaizdui. Jame nebuvo jokių žinomų žvaigždžių ar galaktikų, dujų ar dulkių debesų, ar bet kokių kitų žinomų materijos tipų – tai buvo ideali vieta stebeilytis į tuščios visatos bedugnę.
© NASA/ DIGITAL SKY SURVEY, STSCI

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.

Originalus Hubble Deep Field atvaizdas pirmą kartą parodė vienas iš blankiausių ir tolimiausių kada nors regėtų galaktikų. Tokius neregėtus objektus buvo galima tikėtis išvysti tik panaudojant daugelio bangų ilgių, itin ilgos ekspozicijos ultratolimos visatos vaizdą.
Originalus Hubble Deep Field atvaizdas pirmą kartą parodė vienas iš blankiausių ir tolimiausių kada nors regėtų galaktikų. Tokius neregėtus objektus buvo galima tikėtis išvysti tik panaudojant daugelio bangų ilgių, itin ilgos ekspozicijos ultratolimos visatos vaizdą.
© R. WILLIAMS (STSCI), THE HUBBLE DEEP FIELD TEAM AND NASA

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.

Nykštukinėse galaktikose Segue 1 ir Segue 3, kurių gravitacinė masė yra kaip 600 000 Saulių, tėra iš viso maždaug 1000 žvaigždžių. Nykštukinę palydovinę Segue 1 galaktiką sudarančios žvaigždės apibrauktos. Jei naujas tyrimas teisus, tada tamsioji materija pasiskirstys skirtingai, priklausomai nuo to, kaip ją kaitino žvaigždžių formavimasis per galaktikos istoriją.
Nykštukinėse galaktikose Segue 1 ir Segue 3, kurių gravitacinė masė yra kaip 600 000 Saulių, tėra iš viso maždaug 1000 žvaigždžių. Nykštukinę palydovinę Segue 1 galaktiką sudarančios žvaigždės apibrauktos. Jei naujas tyrimas teisus, tada tamsioji materija pasiskirstys skirtingai, priklausomai nuo to, kaip ją kaitino žvaigždžių formavimasis per galaktikos istoriją.
© MARLA GEHA AND KECK OBSERVATORIES

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.

Įvairios ilgos ekspozicijos kampanijos, tokios, kaip čia pateikiami Hubble eXtreme Deep Field (XDF) atvaizdai, atskleidė tūkstančius Visatos galaktikų, esančių dalelėje milijonosios dangaus ploto dalies. Bet netgi visa Hubble galia ir gravitacinio lęšiavimo didinimas, negali parodyti visų galaktikų, esančių už regėjimo galimybių ribų.
Įvairios ilgos ekspozicijos kampanijos, tokios, kaip čia pateikiami Hubble eXtreme Deep Field (XDF) atvaizdai, atskleidė tūkstančius Visatos galaktikų, esančių dalelėje milijonosios dangaus ploto dalies. Bet netgi visa Hubble galia ir gravitacinio lęšiavimo didinimas, negali parodyti visų galaktikų, esančių už regėjimo galimybių ribų.
© NASA, ESA, H. TEPLITZ AND M. RAFELSKI (IPAC/CALTECH), A. KOEKEMOER (STSCI), R. WINDHORST (ARIZONA STATE UNIVERSITY), AND Z. LEVAY (STSCI)

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.

Panašių į dabartinį Paukščių Taką galaktikų yra daug, bet panašaus tipo jaunesnės galaktikos yra mažesnės, melsvesnės, labiau chaotiškos ir bendrai jose daugiau dujų, ne dabartinėse galaktikose. Pačioms pirmosioms galaktikos tai turėtų būti dar būdingiau, ir tai galioja tiek toli, kiek tik kada matėme.
Panašių į dabartinį Paukščių Taką galaktikų yra daug, bet panašaus tipo jaunesnės galaktikos yra mažesnės, melsvesnės, labiau chaotiškos ir bendrai jose daugiau dujų, ne dabartinėse galaktikose. Pačioms pirmosioms galaktikos tai turėtų būti dar būdingiau, ir tai galioja tiek toli, kiek tik kada matėme.
© NASA AND ESA

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.

Didelio masto Visatos struktūrų simuliacija. Kosmologams kyla iššūkis nustatyti, kurie regionai yra pakankamai tankūs ir masyvūs, kad galėtų būti galaktikomis, atsižvelgiant į egzistuojančių galaktikų skaičių.
Didelio masto Visatos struktūrų simuliacija. Kosmologams kyla iššūkis nustatyti, kurie regionai yra pakankamai tankūs ir masyvūs, kad galėtų būti galaktikomis, atsižvelgiant į egzistuojančių galaktikų skaičių.
© DR. ZARIJA LUKIC

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.

Dvi gretimos galaktikos ultravioletiniame spektre per GOODS-South, vienoje iš kurių aktyviai formuojasi naujos žvaigždės (mėlynos) o kita tiesiog įprastinė galaktika. Fone matomos ir tolimos galaktikos su žvaigždėmis. Nors ir retesnės, vis dar tebėra vėlesnių galaktikų, aktyviai formuojančių daugybę naujų žvaigždžių.
Dvi gretimos galaktikos ultravioletiniame spektre per GOODS-South, vienoje iš kurių aktyviai formuojasi naujos žvaigždės (mėlynos) o kita tiesiog įprastinė galaktika. Fone matomos ir tolimos galaktikos su žvaigždėmis. Nors ir retesnės, vis dar tebėra vėlesnių galaktikų, aktyviai formuojančių daugybę naujų žvaigždžių.
© NASA, ESA, P. OESCH (UNIVERSITY OF GENEVA), AND M. MONTES (UNIVERSITY OF NEW SOUTH WALES)

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.

Aut. teisės: www.technologijos.lt

(91)
(2)
(89)

Komentarai ()

Susijusios žymos: