Jaka jest największa galaktyka na świecie?

Widok rozgwieżdżonego nieba pewnie już nie raz kazał ci zapytać, jak wielkie potrafią być galaktyki. W tym tekście poznasz kandydatów do tytułu największej galaktyki i zobaczysz, dlaczego sprawa wcale nie jest tak oczywista. Dowiesz się też, jak naukowcy w ogóle mierzą tak ogromne odległości i rozmiary we Wszechświecie.

Co to znaczy „największa galaktyka”?

Zanim padnie nazwa, dobrze wyjaśnić, co w ogóle znaczy, że jakaś galaktyka jest „największa”. Można porównywać jej średnicę, czyli rozmiar mierzonej w latach świetlnych, ale także masę, liczbę gwiazd albo zasięg jej otoczki złożonej z gazu i ciemnej materii. Różne kryteria prowadzą czasem do różnych „rekordzistów”, dlatego w astronomii zawsze doprecyzowuje się, o jakim rodzaju wielkości jest mowa.

W wielu opracowaniach jako największą galaktykę w sensie średnicy podaje się obiekt IC 1101. To ogromna galaktyka w gromadzie Abell 2029, której średnica dochodzi do około 4 milionów lat świetlnych. Z kolei w nowszych badaniach coraz częściej pojawia się nazwa Alkyoneus, czyli gigantyczna galaktyka radiowa, której struktury radiowe sięgają nawet 16,3 miliona lat świetlnych. Widzisz więc, że odpowiedź na pytanie o „największą” zależy od tego, czy liczymy samą galaktykę, czy też olbrzymie płaty gazu i plazmy wyrzucane przez czarną dziurę w jej centrum.

Rozmiar a masa

Galaktyka może być bardzo rozległa, ale stosunkowo „lekka”, jeśli jej zewnętrzne obszary są dość rzadkie. Inna z kolei bywa bardziej zwarta, za to bardzo masywna dzięki ogromnym ilościom ciemnej materii oraz gęstej populacji gwiazd. Droga Mleczna, choć nie należy do karłów, wypada przy takich olbrzymach skromnie: jej średnica to około 105,7 tysiąca lat świetlnych, a masa jest znacznie mniejsza niż u największych galaktyk centralnych w bogatych gromadach.

Dlatego astronomowie wyraźnie rozróżniają galaktyki największe rozmiarem od tych, które są rekordowo masywne. W praktyce często łączy się kilka parametrów. Dzięki temu można ocenić, jak obiekt wyróżnia się na tle innych i jaką rolę pełni w swojej gromadzie galaktyk.

Średnica czy zasięg struktur?

W wypadku takich obiektów jak Alkyoneus pojawia się jeszcze jeden problem. Co dokładnie mierzyć: klasyczną optyczną średnicę dysku i halo gwiazdowego, czy także ogromne płaty radiowe, które rozciągają się daleko poza jasną część galaktyki? W galaktykach radiowych te struktury mogą ciągnąć się na miliony lat świetlnych poza „głównym” ciałem galaktyki. Zasilają je dżety wyrzucane przez supermasywną czarną dziurę w centrum.

Dlatego część autorów mówi o „największej galaktyce radiowej”, gdy ma na myśli zasięg płatów radiowych, a o „największej galaktyce eliptycznej” w kontekście klasycznej średnicy gwiazdowej. Oba ujęcia są poprawne, jeśli jasno określisz, co dokładnie porównujesz.

Jak duża jest galaktyka IC 1101?

Obiekt IC 1101 od dziesięcioleci działa na wyobraźnię astronomów. Znajduje się w gwiazdozbiorze Panny, w odległości około 1,07 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Odkrył ją 19 czerwca 1790 roku William Herschel, ten sam, który wcześniej wypatrzył Urana. Od tamtej pory okazało się, że jest to galaktyka absolutnie ekstremalna pod względem rozmiaru.

Przybliżona średnica IC 1101 to około 4 miliony lat świetlnych. To ponad 35 razy więcej niż średnica Drogi Mlecznej. Gdyby umieścić naszą galaktykę w centrum IC 1101, Słońce wraz z całym dyskiem spiralnym zniknęłoby w jej wewnętrznych rejonach, daleko od zewnętrznych obszarów otoczki. Szacuje się też, że IC 1101 ma nawet 400 razy więcej gwiazd niż Droga Mleczna i może być od niej do 2000 razy bardziej masywna, jeśli uwzględni się gaz i ciemną materię.

Galaktyka cD w gromadzie Abell 2029

IC 1101 jest galaktyką typu cD. Oznaczenie to w tradycyjnej klasyfikacji odnosi się do bardzo dużych galaktyk eliptycznych w centrach bogatych gromad. Dziś często rozwija się je jako central dominant, czyli obiekt dominujący w centrum gromady. W tym wypadku chodzi o gromadę Abell 2029, w której IC 1101 zbiera ogromną część masy i świecenia.

Takie galaktyki powstają najczęściej w wyniku serii połączeń. IC 1101 jest dobrym przykładem. Zrodziła się z fuzji wielu mniejszych galaktyk, które przez miliardy lat spadały do centrum gromady pod wpływem grawitacji. Każde takie zderzenie dostarczało nowych gwiazd, gazu i ciemnej materii, co stopniowo „puchło” centralne jądro. W efekcie mamy obiekt, który obejmuje rozmiarami nie tylko pierwotną galaktykę, lecz także rozległe halo pełne słabo świecących gwiazd i gorącego gazu.

Eliptyczna czy soczewkowata?

Choć w wielu artykułach IC 1101 opisuje się jako galaktykę eliptyczną, dokładniejsze analizy wskazują, że lepiej pasuje do typu soczewek (S0). Oznacza to, że jej jasna część ma formę przypominającą spłaszczoną soczewkę, bez wyraźnych ramion spiralnych, za to z gładko rozłożoną populacją starych gwiazd. Takie galaktyki są jakby etapem pośrednim między spiralnymi a klasycznymi eliptycznymi, z których zniknęły już ślady regularnej struktury, a proces formowania nowych gwiazd znacznie osłabł.

W przypadku IC 1101 całość rejonu centralnego jest zanurzona w jeszcze szerszej otoczce, zdominowanej przez słabe gwiazdy oderwane podczas zderzeń z innymi galaktykami. To właśnie ta odkładana przez miliardy lat „kosmiczna poświata” sprawia, że średnica IC 1101 jest tak ogromna w porównaniu z typową galaktyką spiralną.

Czym jest gigantyczna galaktyka radiowa Alkyoneus?

W ostatnich latach na astronomicznych konferencjach coraz głośniej o innym rekordziście: galaktyce radiowej Alkyoneus. To obiekt odległy o około 3 miliardy lat świetlnych od Ziemi, którego struktury radiowe rozciągają się na około 5 megaparseków, czyli w przybliżeniu 16,3 miliona lat świetlnych. To kilka razy więcej niż średnica samej IC 1101.

Alkyoneus jest galaktyką aktywną. W jej centrum znajduje się supermasywna czarna dziura, która przyciąga i „połyka” materię z otoczenia. Część tej materii jest wyrzucana w formie dżetów, które pędzą niemal z prędkością światła. Gdy zderzają się z gazem otaczającym galaktykę, powstają rozległe płaty radiowe świecące mocno w zakresie fal radiowych.

Rozmiar i masa Alkyoneusa

Szacunki mówią, że masa samej galaktyki Alkyoneus sięga około 240 miliardów mas Słońca. To wartość porównywalna z większymi galaktykami spiralnymi, ale nie tak skrajna jak IC 1101. Prawdziwa wyjątkowość Alkyoneusa leży w rozmiarze jego struktury radiowej. Płaty radiowe sięgające na ponad 16 milionów lat świetlnych tworzą najdłuższą znaną obecnie strukturę pochodzenia galaktycznego.

Supermasywna czarna dziura w centrum Alkyoneusa ma masę około 400 milionów mas Słońca. Dla porównania Sagittarius A*, czarna dziura w sercu Drogi Mlecznej, ma masę mniej więcej 100 razy mniejszą. To właśnie tak masywne obiekty centralne są „silnikami” napędzającymi aktywność radiową i powstawanie dżetów sięgających daleko poza dysk galaktyki.

Czym różni się galaktyka optyczna od radiowej?

Kiedy patrzysz na zdjęcia galaktyk z teleskopów optycznych, widzisz głównie światło gwiazd i świecących obłoków gazu. W galaktykach radiowych najważniejsze struktury zobaczysz dopiero na mapach wykonanych w zakresie fal radiowych. Takie obserwacje pokazują olbrzymie płaty i dżety, których nie widać gołym okiem ani nawet na typowych zdjęciach.

W przypadku Alkyoneusa optyczna część galaktyki jest daleko mniejsza niż cała jej struktura radiowa. Dlatego w pytaniu o „największą galaktykę” trzeba jasno powiedzieć, że chodzi o największą galaktykę radiową, czyli obiekt, którego rozmiar liczymy razem z płatami radiowymi napędzanymi przez czarną dziurę. To inny rodzaj rekordu niż w wypadku IC 1101, gdzie mierzona jest gigantyczna średnica strefy gwiazdowej i otoczki.

Jak wielka jest Droga Mleczna na tle takich gigantów?

Porównanie z własnym domem galaktycznym pomaga lepiej poczuć różnice w skali. Nasza Droga Mleczna ma średnicę około 105,7 tysiąca lat świetlnych. To dużo, jeśli porównać ją z galaktykami karłowatymi, których rozmiary bywają rzędu kilku lub kilkunastu tysięcy lat świetlnych. Ale na tle IC 1101 czy Alkyoneusa nasz domowy „dysk spiralny” wypada raczej skromnie.

IC 1101 przewyższa Drogę Mleczną rozmiarem kilkadziesiąt razy. Z kolei zasięg radiowy Alkyoneusa jest jeszcze większy, więc rozciąga się około 150 razy dalej niż średnica naszego dysku spiralnego. Takie zestawienie dobrze pokazuje, jak różnorodne są galaktyki i jak bardzo skala Wszechświata przekracza intuicję zbudowaną na jednostkach znanych z życia codziennego.

Porównanie w formie tabeli

Aby lepiej zobrazować różnice między trzema omawianymi obiektami, warto zestawić je w prostej tabeli porównawczej. Pokazuje ona średnicę lub długość struktur, przybliżoną masę oraz odległość od Ziemi, w przyjętym uśrednieniu danych z publikacji.

Tabela pokazuje coś bardzo istotnego: „największa” galaktyka niekoniecznie musi być jednocześnie najbardziej masywna. Masa Alkyoneusa jest tylko nieco większa niż typowej dużej galaktyki spiralnej, ale zasięg jego płatów radiowych bije wszelkie rekordy wśród znanych obiektów pochodzenia galaktycznego.

Jak mierzy się takie rozmiary we Wszechświecie?

Możliwe, że zadajesz sobie pytanie, jak w ogóle astronomowie ustalają, że coś jest oddalone o miliardy lat świetlnych, a inny obiekt ma średnicę w milionach lat świetlnych. Bez precyzyjnych metod pomiaru odległości i skali Wszechświata żadne z powyższych rekordów nie miałoby sensu. Nowoczesna astronomia sięga tu po cały zestaw narzędzi, od prostych technik geometrycznych po wyszukane analizy widm galaktyk.

Jednym z ważnych narzędzi są tzw. świece standardowe, czyli obiekty o dobrze znanej jasności. Porównując ich jasność obserwowaną z jasnością rzeczywistą, da się oszacować odległość. W przypadku bardzo odległych galaktyk, jak GN-z11, korzysta się także z przesunięcia ku czerwieni, które mówi, jak bardzo rozszerzył się Wszechświat od momentu wysłania światła. Ta metoda pozwoliła oszacować, że światło z GN-z11 biegło do nas około 13,4 miliarda lat, a obecny dystans tego obiektu szacuje się na około 32 miliardy lat świetlnych.

Najkrótsze i najdłuższe zmierzone odległości

Dobrym punktem odniesienia dla skali pomiarów jest eksperyment z falami grawitacyjnymi. W detektorze LIGO mierzy się zmiany długości ramienia interferometru o długości około 4 kilometrów. Przejście pierwszej zarejestrowanej fali grawitacyjnej we wrześniu 2015 roku wywołało zmianę długości rzędu jednej dziesięciotysięcznej średnicy protonu. Taka precyzja pozwala testować ogólną teorię względności na Ziemi.

Z kolei w skali kosmicznej rekordowe są wspomniane wcześniej odległe galaktyki, takie jak GN-z11. Światło z nich wyszło w czasie, gdy Wszechświat miał nieco ponad 400 milionów lat. Dzięki porównaniu tych odległości z rozmiarami lokalnych gigantów, takich jak IC 1101 czy Alkyoneus, lepiej widać, jak łączą się w jednym obrazie Wszechświata mikroskopijne skale laboratoryjne i największe struktury kosmiczne.

Dlaczego wyniki badań się zmieniają?

Wiosną 2016 roku lista najdalszych znanych obiektów wyglądała inaczej niż dziś. Od tego czasu pojawiły się nowe teleskopy, katalogi i analizy danych, które wydłużyły kosmiczne rekordy. Podobna sytuacja dotyczy największych galaktyk: kiedyś IC 1101 wydawała się niekwestionowanym liderem, dziś obok niej wymienia się Alkyoneusa i inne gigantyczne galaktyki radiowe wyłapane w nowych przeglądach nieba.

Badacze korzystają z coraz czulszych instrumentów radiowych i optycznych, a także z rozbudowanych baz danych, takich jak arXiv, gdzie publikowane są wstępne wyniki analiz. To tam trafiły m.in. opracowania opisujące płaty radiowe Alkyoneusa oraz szacunki mas jego galaktyki centralnej i czarnej dziury. Gdy kolejne zespoły potwierdzą te wyniki, obiekt ten na stałe wejdzie do katalogu rekordzistów.

Jak odpowiadać na pytanie „jaka jest największa galaktyka na świecie?”

W codziennej rozmowie możesz spotkać dwie sensowne odpowiedzi na to pytanie. Jeśli mówisz o największej znanej galaktyce pod względem średnicy gwiazdowej, dobrą odpowiedzią będzie: IC 1101 w gromadzie Abell 2029, o średnicy około 4 milionów lat świetlnych. To klasyczna galaktyka centralna typu cD, powstała z połączenia wielu mniejszych galaktyk, niezwykle bogata w gwiazdy, gaz i ciemną materię.

Jeżeli natomiast interesuje cię największa struktura pochodzenia galaktycznego, warto przywołać Alkyoneusa. Ta gigantyczna galaktyka radiowa, odległa o około 3 miliardy lat świetlnych, ma płaty radiowe sięgające na około 16,3 miliona lat świetlnych. Masa znajdującej się w jej centrum czarnej dziury to około 400 milionów mas Słońca, a cała galaktyka ma szacunkowo 240 miliardów mas Słońca.

Najważniejsze liczby, które warto zapamiętać

Jeśli chcesz łatwiej porządkować sobie kosmiczne skale, możesz zapamiętać kilka wybranych wartości. Dobrze pokazują one, jak bardzo „rozciągnięte” są pojęcia rozmiaru i odległości w kosmologii, a także jak różne kryteria prowadzą do różnych rekordów.

• Średnica Drogi Mlecznej to około 105,7 tys. lat świetlnych.
• Średnica IC 1101 szacowana jest na około 4 mln lat świetlnych.
• Płaty radiowe Alkyoneusa rozciągają się na około 16,3 mln lat świetlnych.
• Odległość do IC 1101 to około 1,07 mld lat świetlnych.
• Odległość do Alkyoneusa wynosi około 3 mld lat świetlnych.
• Światło z galaktyki GN-z11 biegło do nas około 13,4 mld lat.
• Zmiana długości ramienia LIGO przy pierwszej fali grawitacyjnej miała skalę jednej dziesięciotysięcznej średnicy protonu.

W zestawieniu z tymi liczbami odległości znane z nawigacji satelitarnej czy podróży międzyplanetarnych wydają się znikome. Mimo to nauka potrafi dziś mierzyć zarówno skrajnie małe zmiany długości na Ziemi, jak i gigantyczne dystanse do najdalszych galaktyk.

IC 1101 pozostaje jednym z największych znanych obiektów galaktycznych o mierzalnej średnicy gwiazdowej, natomiast Alkyoneus jest rekordzistą, jeśli liczyć rozmiar razem z rozległymi płatami radiowymi.

Odpowiedź na pytanie o „największą galaktykę na świecie” zależy więc od tego, czy patrzysz na klasyczną średnicę galaktyki, czy na pełen zasięg struktur tworzonych przez jej centralną czarną dziurę. W obu przypadkach skala tych obiektów pokazuje, jak niewielkie jest nasze miejsce w kosmicznej całości.