Về cơ bản, thiên hà là một tập hợp khổng lồ khí, bụi và hàng tỷ ngôi sao liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn. Mặc dù khoảng cách giữa các ngôi sao trong cùng một thiên hà có thể rất lớn, nhưng điều quan trọng là tất cả chúng đều được kết nối thành một cụm duy nhất bằng lực hấp dẫn — đó là điều khiến nó trở thành một thiên hà. Hầu hết các thiên hà đều có một lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của chúng, giúp giữ tất cả chúng lại với nhau. Đúng như tên gọi của nó, các lỗ đen siêu khối lượng là những lỗ đen vô cùng lớn — chúng có khối lượng vào khoảng hàng triệu hoặc thậm chí hàng tỷ khối lượng mặt trời.

Có ba loại thiên hà : Hình elip, xoắn ốc và không đều. Cái tên mô tả khá nhiều về hình dạng tổng thể của thiên hà. Các thiên hà hình elip trông giống như một “quả trứng” ánh sáng (hình elip), các thiên hà xoắn ốc mở rộng các cánh tay xung quanh vị trí phình trung tâm và các thiên hà không đều gần như là mọi thứ không phải hình xoắn ốc hoặc hình elip. Dải Ngân hà, thiên hà của chúng ta, là một thiên hà theo loại xoắn ốc. Có vẻ lạ khi các hệ thống phức tạp và đa dạng như các thiên hà lại có ít hình dạng như vậy. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa chắc chắn chính xác tại sao điều này xảy ra, nhưng những hình dạng phổ biến này có khả năng là sản phẩm của tốc độ quay, thời gian và lực hấp dẫn.

Các thiên hà cũng có thể khác nhau rất nhiều về kích thước, điều đó có nghĩa là một số thiên hà dễ nhìn thấy hơn những thiên hà khác. Các thiên hà lùn có từ 100 triệu đến vài tỷ ngôi sao (một con số rất nhỏ so với 200 – 400 tỷ ngôi sao của Dải Ngân hà), đo được “chỉ” 300 năm ánh sáng. Trong khi đó, “IC 1101” là thiên hà đơn lẻ lớn nhất từng được tìm thấy trong vũ trụ quan sát được, trải dài 210.000 năm ánh sáng.

2. Cách tìm kiếm các thiên hà:

Vậy làm thế nào để tìm kiếm các thiên hà? Tất cả chúng ta đều có thể nhìn thấy (vào những đêm trời trong) dải sáng màu trắng sữa mang tên cho thiên hà của chúng ta. Hơn 2.000 năm trước, nhà triết học Hy Lạp Democritus (450–370 TCN) đã đề xuất rằng dải này có thể bao gồm các ngôi sao ở xa, một ý tưởng sâu sắc đáng ngạc nhiên. Tất nhiên, có nhiều điều mà Democritus không thể biết được, và mãi đến năm 1610, khi nhà thiên văn học người Ý Galileo Galilei sử dụng kính viễn vọng để nghiên cứu Dải Ngân hà và phát hiện ra rằng nó bao gồm một số lượng lớn các vệ tinh mờ nhạt và những ngôi sao xa xôi.

Tua nhanh đến thời hiện đại, kính thiên văn rõ ràng đã trở nên tốt hơn rất nhiều. Nhưng một trong những vấn đề lớn nhất đối với tất cả các kính thiên văn là bầu khí quyển, nơi chứa nhiều ô nhiễm ánh sáng và sự biến dạng của bức xạ điện từ. Rất may, các nhà thiên văn học đã vượt qua vấn đề đó bằng cách chế tạo kính viễn vọng không gian – vâng, chúng ta có kính viễn vọng ngoài vũ trụ. Cái nổi tiếng nhất, mặc dù không phải cái đầu tiên, là kính thiên văn Hubble. Hubble là một công cụ nghiên cứu quan trọng đã cung cấp một kho dữ liệu vô giá. Trong số những thứ khác, việc phát minh ra kinh thiên văn Hubble mang tính bước ngoặt, được chụp vào giữa những năm 1990, đã mang lại cái nhìn sâu sắc thực sự đầu tiên về quần thể thiên hà của vũ trụ.

Nhưng ngay cả với Hubble, việc đếm các thiên hà là vô cùng khó khăn vì một thực tế đơn giản là vũ trụ rất lớn. Nhìn theo mọi hướng và đếm tất cả các thiên hà là gần như không thể; vì vậy, thay vào đó, các nhà thiên văn học chỉ tập trung vào một khu vực của bầu trời đêm, đếm các thiên hà ở đó và ngoại suy dựa trên giá trị đó. Tất nhiên, điều này có thể dẫn đến một số điểm không chính xác, nhưng với kích thước tuyệt đối của vũ trụ và số lượng thiên hà, những điểm không chính xác dường như không đáng kể.

3. Có bao nhiêu thiên hà?

Vì vậy, trở lại câu hỏi: có bao nhiêu thiên hà? Các phép đo đầu tiên từ những năm 1990 cho thấy có 200 tỷ thiên hà trong vũ trụ. Tuy nhiên, con số đó chưa chắc đã đáng tin cậy. Các quan sát nhạy cảm sau đó phát hiện ra rằng nhiều thiên hà mờ nhạt không được quan sát lần đầu tiên. Cuộc khảo sát gần đây nhất và có thể là chính xác nhất đã phát hiện ra rằng số lượng thực tế của các thiên hà lớn hơn gấp 10 lần. Vì vậy, tổng cộng có 2 nghìn tỷ thiên hà trong vũ trụ, hoặc 2.000 tỷ, nếu bạn muốn.

Vào cuối năm 2016, Christopher Conselice, Giáo sư Vật lý Thiên văn tại Đại học Nottingham, cùng với một số đồng nghiệp, đã thực hiện một loại vũ trụ học khảo cổ học, họ tính toán mật độ của các thiên hà cũng như thể tích của một vùng không gian nhỏ này đến vùng không gian khác. Nghiên cứu miệt mài này là đỉnh cao của 15 năm nghiên cứu và nó cho phép nhóm xác định có bao nhiêu thiên hà mà chúng ta đã bỏ sót. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, ban đầu, các nhà thiên văn học đã bỏ lỡ rất nhiều thiên hà vì chúng mờ nhạt và ở rất xa.

Vì nhiều thiên hà ở rất xa cũng mờ nhạt nên có vẻ như tổng số thiên hà hiện đang giảm dần theo thời gian. Tuy nhiên, bài học rút ra quan trọng hơn ở đây là chúng ta vẫn chỉ nhìn thấy một phần rất nhỏ của vũ trụ. Ai biết được những gì chúng ta có thể bỏ lỡ. Nghiên cứu cũng nói rằng số lượng thiên hà thực có thể còn cao hơn – lên tới 10 nghìn tỷ thiên hà.

4. Dải ngân hà là gì?

Khi nhìn lên bầu trời đêm, giả sử các điều kiện phù hợp, bạn có thể thoáng thấy một dải màu trắng mờ vắt ngang qua bầu trời. Dải này, khi quan sát kỹ hơn, trông lốm đốm và bụi bặm, chứa đầy hàng triệu điểm sáng nhỏ và các quầng vật chất phát sáng. Những gì bạn đang thấy là Dải Ngân hà, thứ mà các nhà thiên văn học cũng như những người quan sát sao đã quan sát từ thủa sơ khai.

Nhưng Dải Ngân hà là gì? Nói một cách đơn giản, đó là tên của thiên hà xoắn ốc có rào chắn mà hệ mặt trời của chúng ta tọa lạc. Trái đất quay quanh Mặt trời trong Hệ Mặt trời và Hệ Mặt trời được nhúng trong thiên hà rộng lớn gồm các vì sao này. Nó chỉ là một trong hàng trăm tỷ thiên hà trong Vũ trụ, và thiên hà của chúng ta được gọi là Dải Ngân hà vì đĩa thiên hà dường như trải dài trên bầu trời đêm giống như một dải ánh sáng trắng mờ ảo.

Thiên hà của chúng ta được đặt tên theo cách sương mù mà nó tạo ra trên bầu trời đêm giống như sữa bị đổ. Cái tên này cũng khá cổ xưa. Nó là bản dịch từ tiếng Latinh “ Via Lactea “, sau đó được dịch từ tiếng Hy Lạp cho Galaxias, đề cập đến dải ánh sáng nhạt được hình thành bởi các ngôi sao trong mặt phẳng thiên hà khi nhìn từ Trái đất.

Nhà thiên văn học người Ba Tư Nasir al-Din al-Tusi (1201–1274) thậm chí đã giải thích điều này trong cuốn sách Tadhkira của mình: “Dải Ngân hà, tức là Thiên hà, được tạo thành từ một số lượng rất lớn các ngôi sao nhỏ, tập hợp chặt chẽ,… dường như là những mảng mây. Vì điều này nó được ví như màu sữa.”

5. Cấu trúc và thành phần của Dải ngân hà:

Dải Ngân hà trông sáng nhất về phía trung tâm thiên hà, theo hướng của Nhân Mã. Việc Dải Ngân hà chia bầu trời đêm thành hai bán cầu gần bằng nhau cho thấy Hệ Mặt trời nằm gần mặt phẳng thiên hà. Dải Ngân hà có độ sáng bề mặt tương đối thấp do khí và bụi lấp đầy đĩa thiên hà. Điều đó ngăn chúng ta nhìn thấy trung tâm thiên hà sáng chói hoặc quan sát rõ ràng những gì ở phía bên kia của nó.

Nếu bạn có thể du hành bên ngoài thiên hà và nhìn xuống nó từ trên cao, bạn sẽ thấy Dải Ngân hà là một thiên hà xoắn ốc có thanh có chiều ngang khoảng 120.000 năm ánh sáng và dày khoảng 1.000 năm ánh sáng. Trong thời gian dài nhất, Dải Ngân hà được cho là có 4 nhánh xoắn ốc, nhưng các cuộc khảo sát mới hơn đã xác định rằng nó thực sự dường như chỉ có hai nhánh xoắn ốc, được gọi là Scutum–Centaurus và Carina–Sagittarius.

Các nhánh xoắn ốc được hình thành từ các sóng mật độ quay quanh Dải Ngân hà. Khi các sóng mật độ này di chuyển qua một khu vực, chúng nén khí và bụi, dẫn đến một giai đoạn hình thành sao tích cực cho khu vực. Tuy nhiên, sự tồn tại của những cánh tay này đã được xác định từ việc quan sát các phần của Dải Ngân hà – cũng như các thiên hà khác trong vũ trụ của chúng ta – và không phải là kết quả của việc nhìn tổng thể thiên hà của chúng ta.

Trên thực tế, tất cả các bức tranh mô tả thiên hà của chúng ta hoặc là do nghệ sĩ thể hiện hoặc là bức tranh về các thiên hà xoắn ốc khác. Cho đến gần đây, rất khó để các nhà khoa học đánh giá Dải Ngân hà trông như thế nào, chủ yếu là do chúng ta được nhúng bên trong nó. Nếu bạn chưa bao giờ ở bên ngoài ngôi nhà của chính mình, bạn sẽ không biết nó trông như thế nào khi nhìn từ bên ngoài. Nhưng bạn sẽ cảm nhận được bằng cách nhìn vào bên trong và so sánh nó với những ngôi nhà khác trong khu phố.

Từ các cuộc khảo sát liên tục về bầu trời đêm bằng kính viễn vọng trên mặt đất và các nhiệm vụ gần đây hơn liên quan đến kính viễn vọng không gian, các nhà thiên văn học hiện ước tính rằng có từ 100 đến 400 tỷ ngôi sao trong Dải Ngân hà. Họ cũng cho rằng mỗi ngôi sao có ít nhất một hành tinh, nghĩa là có khả năng có hàng trăm tỷ hành tinh trong Dải Ngân hà – và ít nhất 17 tỷ trong số đó được cho là có kích thước và khối lượng bằng Trái đất.