Kích thước của thiên hà lớn nhất trong vũ trụ là bao nhiêu?

Cách đây chưa đầy một thế kỷ, chúng ta từng nghĩ rằng Ngân Hà là toàn bộ vũ trụ. Còn bây giờ? Ngân Hà của chúng ta thậm chí không phải là một thiên hà đặc biệt.

So với Hệ Mặt Trời, các thiên hà lớn vượt trội hoàn toàn với chúng ta.

Quy mô so sánh giữa Hệ Mặt Trời và thiên hà

Biểu đồ logarit về khoảng cách, thể hiện các hành tinh, tàu vũ trụ Voyager, đám mây Oort, và ngôi sao gần nhất: Proxima Centauri. Mặt Trời có đường kính lớn hơn Trái Đất 109 lần, nhưng khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời lớn hơn đường kính của Mặt Trời hơn 100 lần. Khoảng cách đến Voyager 1 hoặc 2 lớn hơn khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời ~100 lần; mật độ của đám mây Oort đạt đỉnh ở khoảng cách ~100 lần xa hơn Voyager 2; và khoảng cách đến các ngôi sao gần nhất lại xa hơn gấp ~100 lần so với điều này.

Thiên hà nhỏ nhất được biết đến, Segue 2, chỉ chứa tổng cộng khoảng ~1000 ngôi sao.

Thiên hà lùn Segue 1, 2, và 3

Các thiên hà lùn nhỏ như Segue 1, 2, và 3 chỉ chứa khoảng 1000 ngôi sao. Khối lượng của các thiên hà này có thể được ước tính khoảng 550.000 – 600.000 lần khối lượng Mặt Trời. Các ngôi sao tạo thành thiên hà vệ tinh lùn Segue 1 được khoanh tròn trong hình. Những thiên hà này có tỷ lệ vật chất tối so với vật chất thông thường cao nhất từng được biết đến.

Ngay cả những thiên hà lùn này cũng kéo dài hàng trăm năm ánh sáng – lớn gấp hàng tỷ lần so với các ngôi sao lớn nhất.

Một số ngôi sao lớn nhất trong vũ trụ, cùng với quỹ đạo của Sao Thổ (hình elip nâu) và Sao Hải Vương (hình elip xanh lam) để so sánh. Các ngôi sao, từ trái sang phải, gồm siêu sao xanh lớn nhất, siêu sao vàng, siêu sao cam, và sau đó là hai ngôi sao lớn nhất: siêu sao đỏ UY Scuti và Stephenson 2 – 18. Các ngôi sao lớn nhất có đường kính xấp xỉ gấp 2000 lần Mặt Trời, nhưng nhiệt độ bề mặt của chúng dao động từ vài nghìn K cho đến các sao Wolf – Rayet, với nhiệt độ khoảng ~200.000 K.

Các thiên hà có thể đạt kích thước khổng lồ, nhưng các hình minh họa thường không chính xác.

So sánh kích thước giữa các thiên hà: Ngân Hà, Tiên Nữ (Andromeda), M87, và IC 1101.

Kích thước tương đối (không chính xác) của một số thiên hà. Tiên Nữ quá lớn so với Ngân Hà; M87 lại quá nhỏ so với Tiên Nữ; IC 1101 thì quá nhỏ so với M87. Để hiểu đúng các thang đo khoảng cách, việc tránh chia sẻ các hình ảnh gây hiểu lầm là rất quan trọng.

Ngân Hà tương đối điển hình của chúng ta có đường kính vượt quá 100.000 năm ánh sáng.

Thiên hà Tiên Nữ có đường kính xấp xỉ gấp đôi Ngân Hà: 220.000 năm ánh sáng.

Thiên hà xoắn ốc UGC 12158 – với các cánh tay, thanh ngang, và các nhánh phụ – có thể là thiên hà tương tự nhất với Ngân Hà từng được phát hiện. Thiên hà này không tương tác hay hợp nhất với bất kỳ thiên hà láng giềng nào, và sự hình thành sao trong đó chủ yếu được thúc đẩy bởi các sóng mật độ xuất hiện trong các cánh tay xoắn ốc.

Thiên hà Tiên Nữ (M31)

Thiên hà Tiên Nữ (M31), được chụp từ kính thiên văn mặt đất với nhiều bộ lọc và tái dựng để hiển thị một chân dung đầy màu sắc. So với Ngân Hà, Tiên Nữ lớn hơn nhiều về kích thước, với đường kính khoảng 220.000 năm ánh sáng – tương đương gấp đôi kích thước của Ngân Hà. Nếu đặt Ngân Hà chồng lên Tiên Nữ, đĩa sao của Ngân Hà sẽ kết thúc gần nơi mà các dải bụi của Tiên Nữ tối nhất.

Tuy nhiên, các thiên hà tương tác bị ảnh hưởng mạnh bởi lực thủy triều, khiến kích thước của chúng tăng lên đáng kể.

Thiên hà Con Nòng Nọc

Thiên hà Con Nòng Nọc, được hiển thị tại đây, có một đuôi khổng lồ: bằng chứng của sự tương tác thủy triều. Khí bị tước ra từ một thiên hà sẽ kéo dài thành một sợi dài và mỏng, sau đó co lại dưới tác động của trọng lực của chính nó để tạo thành các ngôi sao. Thành phần chính của thiên hà có kích thước tương đương Ngân Hà, nhưng dòng thủy triều riêng lẻ của nó dài khoảng 280.000 năm ánh sáng – lớn hơn gấp đôi kích thước ước tính của Ngân Hà.

Đuôi của thiên hà Con Nòng Nọc dài tới 280.000 năm ánh sáng.

Thiên hà UGC 2885

Thiên hà này, UGC 2885, còn được biết đến với tên gọi Thiên hà của Rubin, là thiên hà xoắn ốc lớn nhất từng được phát hiện, chứa khoảng 10 lần số lượng sao so với Ngân Hà. UGC 2885 bị tác động nghiêm trọng bởi lực hấp dẫn. Với đường kính ước tính 832.000 năm ánh sáng, đây là thiên hà xoắn ốc lớn nhất được biết đến, mặc dù các nhánh thủy triều và hình dạng méo mó của nó có thể chỉ là tạm thời trên thang thời gian vũ trụ.

Bị ảnh hưởng nghiêm trọng, UGC 2885 là thiên hà xoắn ốc lớn nhất của chúng ta với kích thước 832.000 năm ánh sáng.

Thiên hà NGC 584

Thiên hà hình elip khổng lồ NGC 584, được hiển thị tại đây, được phát hiện và ghi nhận vào năm 1785, nằm cách chúng ta khoảng 62 triệu năm ánh sáng. Mặc dù vào thời điểm đó, nó chưa được biết đến là một thiên thể ngoài thiên hà, nhưng trong một thời gian ngắn, nó là vật thể xa nhất từng được ghi nhận cho đến khi NGC 1 được xác định vài tháng sau đó.

Tuy nhiên, các thiên hà hình elip là những thiên hà lớn nhất trong tất cả.

Toàn cảnh một bầu trời đầy sao với nhiều thiên hà và các điểm sáng rải rác trên nền trời tối.

Chuỗi Markarian, được hiển thị tại đây, đại diện cho một sự sắp xếp của các thiên hà lớn và khổng lồ nằm trong cụm Xử Nữ. Cụm này chứa khoảng 1000 thiên hà lớn, một phần lớn trong số đó đã được phát hiện từ thế kỷ 18. Cụm Xử Nữ nằm cách Ngân Hà khoảng 50 – 60 triệu năm ánh sáng và là tập trung thiên hà lớn nhất trong vũ trụ gần gũi nhất, chứa nhiều thiên hà hình elip khổng lồ.

Thiên hà Messier 87, lớn nhất trong siêu cụm Xử Nữ, có đường kính 980.000 năm ánh sáng.

Thiên hà M87

Nằm cách Trái Đất khoảng 55 triệu năm ánh sáng, thiên hà M87 chứa một tia tương đối tính khổng lồ, cũng như các luồng vật chất hiện lên ở cả sóng vô tuyến và tia X. Hình ảnh quang học này cho thấy một tia tương đối tính; hiện nay chúng ta biết rằng, từ Kính Viễn vọng Chân trời Sự kiện, trục quay của lỗ đen trong M87 nghiêng khoảng 17 độ so với Trái Đất.

Thiên hà lớn nhất trong cụm Coma, NGC 4889, có đường kính tới 1.300.000 năm ánh sáng.

Hai thiên hà NGC 4889 và NGC 4874

Hai thiên hà lớn và sáng ở trung tâm cụm Coma, NGC 4889 (bên trái) và NGC 4874 (bên phải, nhỏ hơn một chút), mỗi thiên hà đều có kích thước vượt quá một triệu năm ánh sáng. Tuy nhiên, các thiên hà ở rìa cụm, chuyển động rất nhanh, chỉ ra sự tồn tại của một quầng vật chất tối lớn bao phủ toàn bộ cụm. Khối lượng của vật chất bình thường không đủ để giải thích cấu trúc ràng buộc này.

Trong khi đó, thiên hà sáng nhất của cụm Phoenix có kích thước 2,2 triệu năm ánh sáng.

Thiên hà IC 1101

Hình ảnh hai bảng: Bảng bên trái cho thấy bản đồ nhiệt với các đường viền, mã màu theo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Bảng bên phải hiển thị trường sao với các đường viền được dán nhãn chồng lên tọa độ thiên thể.

Thiên hà sáng nhất trong cụm Phoenix, được hiển thị bên trái từ Kính Viễn Vọng Nam Cực và bên phải từ hình ảnh quang học/hồng ngoại của Blanco/MOSAIC-II, là một trong những thiên hà lớn nhất, vẫn đang hình thành sao với tốc độ cao gấp hàng trăm lần so với Ngân Hà của chúng ta.

Nhưng thiên hà lớn nhất trong tất cả? Đó là IC 1101.

Cụm thiên hà khổng lồ Abell 2029 chứa thiên hà IC 1101 ở trung tâm. Với kích thước 5,5 triệu năm ánh sáng, hơn 100 nghìn tỷ ngôi sao và khối lượng gần một triệu tỷ Mặt Trời, đây là thiên hà lớn nhất được biết đến. Dù cụm thiên hà này rất lớn và ấn tượng, nhưng vũ trụ có tuổi thọ hữu hạn và sự hiện diện của năng lượng tối khiến việc hình thành những vật thể lớn hơn trở nên khó khăn.

Một nửa ánh sáng của thiên hà tập trung trong bán kính trung tâm 2 triệu năm ánh sáng.

Hình ảnh thiên văn với chất lượng hạt, cho thấy một thiên hà kéo dài ở trung tâm, bao quanh bởi các mẫu nhiễu màu sắc. Thanh tỷ lệ hiển thị 7 phút cung.

Hình ảnh này cho thấy bản đồ thấu kính hấp dẫn được phủ lên cụm Abell 2029. Tại trung tâm cụm này, thiên hà IC 1101 – thiên hà lớn nhất được biết đến trong vũ trụ – xuất hiện. Mặc dù bán kính ánh sáng một nửa, tức là bán kính trong đó một nửa ánh sáng đến từ thiên hà, là khoảng 2 triệu năm ánh sáng, nhưng đường kính nhìn thấy đầy đủ của thiên hà dao động từ 5,5 đến 6 triệu năm ánh sáng.

Thiên hà này trải dài tới 5,5 triệu năm ánh sáng – lớn hơn cả phạm vi của Nhóm Địa Phương.

Nhóm Địa Phương và sự so sánh kích thước

Nhóm Địa Phương của chúng ta được chi phối bởi thiên hà Tiên Nữ và Ngân Hà, nhưng vẫn có tranh luận về việc thiên hà nào chiếm ưu thế hơn về lực hấp dẫn. Trong khi Tiên Nữ có vẻ lớn hơn về kích thước vật lý và có nhiều sao hơn, có thể nó vẫn nhẹ hơn Ngân Hà của chúng ta. Nếu thiên hà IC 1101 được hiển thị bên cạnh Nhóm Địa Phương, kích thước của nó sẽ tương đương với toàn bộ hình ảnh này.

Hiển thị kích thước thực sự của các thiên hà giúp làm nổi bật sự đa dạng trong vũ trụ của chúng ta.

Kích thước của các thiên hà và cấu trúc lớn hơn

Hình ảnh tổng hợp các thiên hà từ nhỏ nhất đến lớn nhất, hiển thị (xấp xỉ) theo kích thước thực tế. Thiên hà elip khổng lồ ở trung tâm cụm Abell 2029, IC 1101, là thiên hà lớn nhất được biết đến trong vũ trụ, ít nhất là về phạm vi sao. Nó lớn hơn rất nhiều so với Ngân Hà, Tiên Nữ (hoặc bất kỳ thiên hà xoắn ốc nào), và thậm chí vượt trội hơn cả các thiên hà elip khổng lồ điển hình khác.

Dữ liệu sóng vô tuyến từ LOFAR và GMRT cho thấy rõ các đặc điểm của một cặp luồng vật chất lỗ đen song song, lưỡng cực, kéo dài tới 23 – 24 triệu năm ánh sáng. Đặc điểm này, được đặt tên là Porphyrion, là luồng lỗ đen lớn nhất từng được quan sát.

Bản đồ này hiển thị cụm thiên hà El Gordo, được chụp bởi Hubble, với bản đồ khối lượng phủ lên trên. Khối lượng được suy ra từ sự kết hợp của hiệu ứng thấu kính hấp dẫn yếu và mạnh, trong khi các nghiên cứu bổ sung khác cho thấy cụm này là kết quả của sự hợp nhất giữa hai cụm nhỏ hơn. Tổng cộng, cụm El Gordo chứa từ 2,1 đến 3,0 triệu tỷ (10^15) khối lượng Mặt Trời.

Bức tường Sloan là một trong những cấu trúc lớn nhất được biết đến trong vũ trụ, dài khoảng 1,37 tỷ năm ánh sáng. Đây có thể chỉ là sự sắp xếp tình cờ của nhiều siêu cụm, nhưng chắc chắn không phải là một cấu trúc ràng buộc bởi lực hấp dẫn, vì năng lượng tối đang dần đẩy nó ra xa. Các thiên hà của Bức tường Sloan được hiển thị ở bên phải.