Kolik je ve vesmíru galaxií? A kolik ukrývají hvězd a planet?

Kolik je ve vesmíru galaxií? Krátká odpověď zní: odhady pro pozorovatelnou část sahají od stovek miliard až k bilionům podle toho, které objekty zahrneme a jak dopočítáme ty neviditelné. Často citované dva biliony pocházejí ze studie z roku 2016. Nejde o dva biliony položek v katalogu ani o zjištěný počet v celém vesmíru. Nejzajímavější na té otázce je právě cesta od nepatrného snímku oblohy k tak obrovskému číslu.

Nejdřív rozlišme galaxii a vesmír

Země patří do Sluneční soustavy. Její hvězda, Slunce, je součástí Mléčné dráhy. A Mléčná dráha je jedna galaxie mezi mnoha dalšími. Počet planet, hvězd a galaxií proto odpovídá třem různým otázkám. Představte si adresu: byt, dům a město označují různé úrovně, přestože se vztahují k jednomu místu. Sečíst domy a byty do jedné nerozlišené hromady by nedávalo dobrý obrázek o městě.

Galaxie je rozsáhlá soustava hvězd, planet, plynu a prachu, kterou drží pohromadě gravitace. Není přitom standardizovanou krabicí s pevným počtem hvězd. Nejmenší galaxie mohou obsahovat jen několik tisíc hvězd, největší biliony. Už z toho plyne první zádrhel: znát počet galaxií nestačí k přesnému určení počtu hvězd. Záleží také na tom, kolik je malých soustav a kolik velkých.

Ani samotné galaxie nejsou rozestavěné v pravidelných rozestupech. Sdružují se do skupin a kup, které jsou součástí větší kosmické sítě. Mezi jejími strukturami leží prázdnější oblasti. Proto se na obrázek bohaté kupy nedá dívat jako na průměrný čtvereček celého vesmíru. Je to podobné, jako kdyby fotografie rušného náměstí měla zastupovat zalidnění celé krajiny. Pro pochopení snímku je užitečné vědět, zda dalekohled mířil na nápadné nahromadění galaxií, nebo zkoumal jiné zorné pole. Krása a bohatost záběru samy nezaručují reprezentativní vzorek.

Slovo pozorovatelný má ještě jiný význam než „viditelný naším dnešním dalekohledem“. Světlo se šíří konečnou rychlostí a vesmír má konečné stáří, přibližně 13,8 miliardy let. Z některých oblastí k nám informace zatím nemohla doputovat. Uvnitř pozorovatelné oblasti ale zároveň existují objekty, které jsou pro naše přístroje příliš slabé. Lepší dalekohled může odhalit další takové galaxie, nezmění však vesmír na celek, který můžeme najednou celý prohlédnout.

Vesmír zahrnuje i to, co nepozorujeme. Celkový počet galaxií v něm tedy z dnešních snímků neurčíme. Když se níže mluví o velkých kosmických počtech, jde o odhady pro pozorovatelný vesmír, případně pro přesněji vymezenou část kosmické historie. Toto omezení není drobná poznámka pod čarou. Určuje, na jakou otázku vůbec dokážeme odpovědět.

Jak se z malého výřezu oblohy stane kosmický odhad

Hubble Ultra Deep Field ukazuje téměř 10 000 galaxií v drobném výřezu oblohy. Snímek vznikl složením 800 expozic a zachytil objekty, které by na kratším záběru snadno zanikly. Mnohé světelné skvrnky tu představují celé galaxie. Současně nejde o stejný okamžik jejich života: světlo z různých vzdáleností k nám putovalo různě dlouho. Jeden obrázek tak skládá dohromady několik kapitol kosmických dějin.

Základní princip lze přiblížit sčítáním lidí ve velkém městě. Nemusíte zaklepat na každé dveře, pokud máte dobré vzorky různých čtvrtí a víte, které domácnosti průzkum přehlíží. Samotný počet lidí v jednom paneláku ovšem nestačí. U galaxií výzkumníci obdobně kombinují pozorování s modelem populace a odhadují, co pod hranicí citlivosti chybí. Výsledek stojí na datech i na předpokladech použitých při dopočtu.

Pro názornost si představme smyšlený průzkum, který zachytí 100 objektů. Pokud přístroj při dané jasnosti odhalí polovinu existující populace, vychází odhad na 200. Pokud zachytí jen desetinu, vychází 1 000. Pozorovaných objektů je v obou případech stejně, ale celkový výsledek se výrazně liší. To není výpočet skutečného počtu galaxií, pouze ukázka, proč musíme znát i to, co měření vynechává. Samotné přidávání nul tedy nemusí znamenat nový objev. Může odrážet jiný odhad úplnosti vzorku. A právě tento krok má smysl hledat v odborné práci, když zpráva oznamuje překvapivě vysoký počet.

První odhady opřené o Hubbleova hluboká pole uváděly zhruba 100 až 200 miliard galaxií. Tým Christophera Conseliceho v roce 2016 spojil pozorování s modely slabších galaxií a dospěl přibližně ke dvěma bilionům. Rozdíl neznamená, že mezi dvěma měřeními náhle přibylo desetkrát více galaxií. Změnil se především odhad populace, kterou přímé snímky nezachytily.

Původní práce uvádí i nejistotu: 2,0 bilionu s rozpětím přibližně 1,4 až 2,7 bilionu v rámci daného výpočtu. Autoři zahrnuli galaxie do rudého posuvu z = 8 a pracovali s dolní hranicí hvězdné hmotnosti jednoho milionu Sluncí. Tyto technické podmínky mají jednoduchý důsledek: číslo platí pro určitý výběr objektů a model, není to univerzální konstanta. Změníte-li hranici zahrnutých galaxií, mění se i součet.

Kolik hvězd tyto galaxie ukrývají?

ESA uvádí pro počet hvězd velmi hrubý odhad 10²² až 10²⁴. Zápis může vypadat odtažitě, ale pomáhá nepředstírat přesnost: 10²² znamená jedničku následovanou 22 nulami. Horní kraj uvedeného rozpětí je stokrát větší než dolní. Tak široký rozsah je dobré číst jako představu řádu velikosti, nikoli jako úzký interval kolem spolehlivě změřeného součtu.

Astronomové nesčítají všechny jednotlivé hvězdy ve všech galaxiích. U vzdálených soustav pracují například s jejich souhrnným světlem. Přepočet proto závisí na tom, jaká hvězdná populace toto světlo vytváří. Mléčná dráha má řádově stovky miliard hvězd, ale její velikost nelze automaticky přisoudit každé slabé trpasličí galaxii. Násobit dva biliony galaxií počtem hvězd v naší Galaxii by tak vytvořilo přesně vypadající číslo z příliš hrubých předpokladů.

U blízké Andromedy lze naopak mnoho jednotlivých hvězd rozlišit. Hubbleova mozaika zveřejněná v roce 2015 zachytila přes 100 milionů hvězd v části jejího disku. Na běžně zmenšeném obrázku jejich světlo splývá, plná data však nabízejí mnohem podrobnější pohled. Právě takové pozorování pomáhá číst hvězdnou populaci konkrétní galaxie. Jak se z mozaik zjišťuje její minulost, rozebírá i článek o skrytých dějinách Andromedy.

Planet je mnoho. Jedno číslo pro celý vesmír by klamalo

U planet je nejlepší začít blízko domova. Výsledky mise Kepler ukázaly, že v Mléčné dráze je více planet než hvězd. To je statistický závěr z průzkumu vybraných hvězd, nikoli oznámení, že astronomové všechny tyto světy jednotlivě objevili. Rozdíl mezi nalezenými planetami a odhadovanou populací je zásadní. Katalog potvrzených objevů popisuje, co se podařilo prokázat u konkrétních objektů, nikoli vše, co v Galaxii existuje.

K podobnému závěru vedla nezávislá cesta. Mikročočkovací studie oznámená v roce 2012 odhadla v Mléčné dráze nejméně 100 miliard planet. V průměru vycházela alespoň jedna planeta na hvězdu. Slova „v průměru“ jsou důležitá: podobně jako průměrný počet dětí na domácnost neříká, kolik dětí má každá rodina, ani tento údaj nepřiděluje povinně jednu planetu každé hvězdě.

Kepler hledal drobné poklesy jasnosti, když planeta přejde před hvězdou. Jiná metoda sleduje pohyb hvězdy vyvolaný gravitací planety prostřednictvím změn v jejím světle. Mikročočkování využívá zesílení světla vzdálené hvězdy gravitací objektu v popředí. Každá metoda nabízí jiný pohled a různou citlivost. Právě kombinování těchto cest je užitečnější než představa jediné kamery, která vyfotografuje všechny planety najednou.

Přenést galaktický průměr na celý pozorovatelný vesmír by znamenalo další extrapolaci. Museli bychom vědět, nakolik se naše okolí podobá jiným galaxiím i dávným obdobím, která na hlubokých snímcích pozorujeme. Dostupná čísla proto neopravňují k přesnému celovesmírnému součtu. Rozumná odpověď zní, že planety jsou běžnou součástí hvězdných soustav a jejich celková populace je obrovská. Jeden efektní počet bez vysvětlení předpokladů by jistotu spíše předstíral.

Stejně opatrně je potřeba zacházet s tím, co si pod slovem planeta představíme. Z věty o velkém počtu světů samotné neplyne, že všechny připomínají Zemi nebo mohou hostit život. Otázka početnosti a otázka vhodných podmínek jsou dvě odlišné věci. První poskytuje rámec pro hledání, odpověď na druhou za nás nevyřeší.

Proč se odhady mění a co se z nich dozvídáme

Počet galaxií se mění také fyzicky. Menší soustavy mohou splynout ve větší, takže méně galaxií automaticky neznamená méně hvězd. Výzkum početnosti proto pomáhá zkoumat, jak se velké struktury skládaly v čase. Je to důvod, proč se astronomie nespokojí s jednou hodnotou. Zajímá ji, kolik galaxií různých velikostí existovalo v různých obdobích a zda jejich pozorovaná populace odpovídá modelům vývoje.

Ani působivý Webbův snímek není jednoduché počitadlo. V jeho prvním hlubokém poli gravitace kupy SMACS 0723 zvětšuje a deformuje vzdálenější galaxie. Některou dokonce zobrazí vícekrát. Sečíst všechny světlé obloučky jako samostatné galaxie by tedy bylo chybné. Pozorování musí doprovázet výklad toho, co přístroj skutečně zachytil. Právě v tom spočívá rozdíl mezi krásným obrázkem vesmíru a vědeckým odhadem jeho populace.

Časté otázky