Довга експозиція ділянки неба, яка на перший погляд здається порожньою, показує тисячі маленьких світлих плям. Багато з них — галактики, кожна зі своїми зорями. Чи можна порахувати ці плями, помножити на все небо й отримати остаточну відповідь?
Точної кількості галактик ми не знаємо. Оцінки для спостережуваного Всесвіту залежать від того, які об’єкти враховувати та як оцінювати невидимі слабкі галактики. Масштабування глибоких спостережень дає порядок сотень мільярдів; відома модельна оцінка 2016 року, що включає численні слабкі системи за заданими умовами, — близько двох трильйонів. Це різні способи оцінювання населення, а не два точні переписи, один з яких мусить бути помилковим. Conselice та співавтори: метод, припущення й підрахунки.
Спершу треба визначити, що саме рахуємо
Спостережуваний Всесвіт — область, звідки сигнали могли встигнути дістатися нас за космічну історію. Це не стіна й не доведений край усього простору. Кількість галактик за межами нашої спостережуваної області ми не можемо безпосередньо переписати. Твердження про їхню загальну кількість у всьому Всесвіті потребувало б припущень про те, чого ми не бачимо. Американський музей природничої історії: спостережувана область і космічний горизонт.
Потрібно визначити й об’єкт підрахунку. Велика спіральна галактика впізнавана легко, але існують набагато слабші карликові системи. Крім того, світні вузли всередині однієї далекої галактики інколи можна помилково розділити на кілька джерел, а близькі зображення кількох галактик — злити в одне. У каталозі розрізняють галактики, зорі переднього плану та артефакти; самої кількості світлих пікселів недостатньо. COSMOS2025: виявлення джерел і класифікація, розділи 3 та 6.3.
Глибоке поле — вибірка, а не весь небосхил
У Hubble eXtreme Deep Field, XDF, оприлюдненому 2012 року, приблизно 5500 галактик містяться на ділянці близько однієї тридцятимільйонної всього неба. Тривале накопичення світла виявило об’єкти, які губилися б на коротшій експозиції. Це історичний приклад глибокого поля, а не заява, що він і сьогодні є найглибшим з усіх. ESA/Hubble: площа й галактики XDF.
Щоб перейти від такої вибірки до неба, треба припустити, наскільки вона представницька. Галактики групуються: одна ділянка може містити більше скупчень, інша — більше порожнин. Розкид між ділянками називають космічною дисперсією. Тому дослідники зіставляють різні поля й враховують невизначеність, замість того щоб оголосити одну фотографію точною мініатюрою всього Всесвіту. Conselice та співавтори: додаток A.2.
Відгалуження · З формуламиНеобов’язково · можна пропустити
Що дає просте множення — і чого не дає
Нехай n — число виявлених галактик, а f — частка небосхилу, яку займає поле. Найпростіша оцінка за однакової середньої поверхневої густини:
N_(sky) ≈ (n)/(f).
Для округлених величин XDF це приблизно 5500 × 30 000 000 = 165 000 000 000, тобто близько 170 мільярдів. Кількість — безрозмірна; f також безрозмірна частка, не площа в градусах.
Цей розрахунок оцінює, скільки джерел подібної виявлюваності могло б бути на всьому небі за прийнятим припущенням. Він не враховує пропущені слабкі об’єкти, різницю полів, пилові заслони та інші поправки. Отримане число — навчальне масштабування округленого прикладу ESA, а не новий науковий перепис або точна кількість усіх галактик.
Невидимі слабкі об’єкти не зникають із Всесвіту
Уявімо два спостереження тієї самої ділянки. У менш чутливому видно лише яскраві джерела. У чутливішому частина слабких плям стає помітною. Між кадрами не обов’язково народилися нові галактики: змінилася можливість зареєструвати їхній сигнал на тлі шуму.
Виявлення залежить від потоку світла, діапазону, розміру зображення й фону. Навіть однаковий загальний потік легше знайти, коли він зібраний у компактну пляму, ніж коли розмазаний на великій площі. Дослідники перевіряють повноту вибірки — яку частку об’єктів заданих властивостей метод здатний знайти. COSMOS2025: повнота, забруднення вибірки й порівняння глибин.
Порівняйте панелі. Це спеціально створена навчальна популяція, у якій усі 20 об’єктів відомі наперед; жодна крапка не є реальною каталоговою галактикою.
Видно лише найяскравіші
Виявлено 6 із 20
14 слабших об’єктів не пройшли умовний поріг. Вони не перестали існувати.
Видно й слабкі джерела
Виявлено 20 із 20
У цьому навмисно простому прикладі нижчий поріг дозволив знайти всі 20. У реальному огляді повнота не гарантована.
Усі 20 схематичних об’єктів задані автором; це не фото, не каталог і не вимір повноти телескопа. Місця галактик між панелями однакові. Кількість змінюється через відбір, а не через фізичне народження чи зникнення. Ступені чутливості умовні, без шкали потоку.
За межами чутливості доводиться оцінювати те, чого інструмент окремо не виявив. Для цього використовують виміряний розподіл яскравостей або зоряних мас і продовжують модель до слабших чи менших систем. Таке продовження — екстраполяція. Вона корисна, але її результат залежить від форми розподілу та обраної нижньої межі. Conselice та співавтори: застереження до екстраполяції.
Відгалуження · Межі відомої оцінкиНеобов’язково · можна пропустити
Звідки взялися два трильйони
У роботі 2016 року Conselice та колеги використали розподіли зоряних мас галактик у різні епохи й продовжили їх до нижньої межі мільйон сонячних мас у зорях. Це межа їхнього підрахунку, а не визначення, за яким усі менші системи перестають бути галактиками.
Для діапазону червоного зміщення від 0 до 8 вони отримали підсумкову оцінку приблизно 2,0 трильйона, з наведеним у роботі інтервалом невизначеності приблизно від 1,4 до 2,7 трильйона. Червоне зміщення тут позначає діапазон космологічних епох і відстаней; докладне його пояснення не потрібне для головної думки.
Це не каталог із двома трильйонами перевірених записів. Число суттєво залежить від порога маси й продовження моделі за межі даних. Також ми бачимо далекі системи в давніші епохи: підрахунок уздовж нашого погляду в минуле не є одночасною фотографією населення всього простору «сьогодні». Злиття й утворення галактик змінюють їхню кількість із часом. Первинна робота: розділи III.1, IV.2–IV.3.
Нові каталоги уточнюють вибірку, а не видають останнє число
Наприклад, авторська робота COSMOS2025 описує каталог властивостей понад 700 тисяч галактик, побудований на спостереженнях JWST разом із даними інших телескопів. Огляд NIRCam охоплює близько 0,54 квадратного градуса. У різних аналізах використовують додаткові маски й відбір, тому робоча площа та число об’єктів не завжди дорівнюють повним величинам огляду. Shuntov та співавтори: оригінал каталогу, 2025, COSMOS: публічний випуск даних.
Такий каталог дозволяє перевіряти моделі слабких популяцій краще. Проте «телескоп знайшов більше» саме собою не визначає, як змінилася оцінка всіх галактик. Треба порівняти однакові критерії відбору, площі, діапазони й межі повноти.
Перевірте себе: якщо на чутливішому знімку вдвічі більше джерел, чи означає це, що галактик у Всесвіті щойно стало вдвічі більше? Ні. Змінився наш облік; для висновку про фізичну еволюцію потрібні інші докази.
Відповідь на початкове запитання тому містить і масштаб, і умови: спостережуваний Всесвіт має величезне галактичне населення, яке оцінюють у сотнях мільярдів і, залежно від моделі слабких систем, на рівні трильйонів. Точного остаточного числа, особливо для всього Всесвіту, немає. Коли зустрічаєте новий заголовок із числом, шукайте поруч площу огляду, межу чутливості та спосіб врахування невидимих об’єктів. А розібрати сам масштаб чисел допоможе матеріал про мільйон, мільярд і трильйон.