Ilhas gigantescas de estrelas, gás, poeira e matéria escura — os blocos de construção que compõem o universo em grande escala. Da espiral tranquila ao objeto mais luminoso do cosmos.
Uma galáxia é um sistema gravitacionalmente ligado de estrelas, gás, poeira e — o componente de massa amplamente dominante — matéria escura. As ordens de grandeza são quase inconcebíveis: nossa própria galáxia, a Via Láctea, tem um diâmetro de cerca de 100.000 anos-luz e contém uma estimativa de 100 a 400 bilhões de estrelas. Em todo o universo observável, as estimativas atuais — apoiadas em imagens profundas dos telescópios espaciais Hubble e James Webb — variam de várias centenas de bilhões a cerca de dois trilhões de galáxias, dependendo do método de contagem, desde gigantes elípticas com vários trilhões de estrelas até galáxias anãs com apenas alguns milhões. Galáxias raramente aparecem isoladas: elas se agrupam em grupos, aglomerados e superaglomerados ao longo de uma rede cósmica filamentar — a maior estrutura conhecida do universo.
A distribuição de massa estimada da Via Láctea mostra um padrão típico da maioria das galáxias: o material luminoso, diretamente visível — estrelas, gás e poeira — representa apenas uma pequena fração da massa total. O restante é fornecido por um componente invisível, cuja existência só pode ser deduzida por seu efeito gravitacional: a partir das curvas de rotação de galáxias, que giram mais rápido do que sua massa visível permitiria. Sem essa "cola" gravitacional adicional, muitas galáxias simplesmente não conseguiriam se manter unidas.
Em 1926, Edwin Hubble propôs um esquema de ordenação que, até hoje — com ampliações —, é o padrão da morfologia galáctica: o "diagrama do diapasão". Ele ordena as galáxias apenas por sua aparência visual, não por sua idade ou evolução física. O próprio Hubble supôs inicialmente uma sequência evolutiva da esquerda (elíptica) para a direita (espiral) — essa suposição é hoje considerada refutada. Ainda assim, a classificação permanece útil, pois se correlaciona com grandezas físicas reais: teor de gás, taxa de formação estelar e a razão entre bojo e disco.
A classificação abstrata se torna concreta em exemplos reais. Quatro galáxias mostram a amplitude do que é abrangido pelo termo "galáxia" — desde nosso próprio lar cósmico até um dos buracos negros supermassivos mais massivos conhecidos.
Nossa própria galáxia — vista de dentro, por isso mais difícil de mapear do que galáxias distantes. Uma barra central canaliza gás até o núcleo, de onde partem braços espirais como o Braço de Perseu e o de Sagitário. O Sol fica em um braço secundário menor, o Braço de Órion.
A maior galáxia espiral próxima, visível a olho nu — uma mancha nebulosa fraca na constelação de Andrômeda. Maior em diâmetro do que a Via Láctea, ainda que com massa total comparável. Aproxima-se de nós desviada para o azul a cerca de 110 km/s: o início de uma futura colisão.
Uma galáxia elíptica gigantesca no centro do aglomerado de Virgem. Seu buraco negro supermassivo foi, em 2019, o primeiro a ser diretamente fotografado — o famoso "anel de fogo" do Event Horizon Telescope. Um jato relativístico de matéria dispara milhares de anos-luz pelo espaço.
Uma galáxia satélite da Via Láctea, visível a olho nu no hemisfério sul. Sem estrutura espiral ou elíptica ordenada, mas rica em gás e formação estelar — abriga a Nebulosa da Tarântula, uma das regiões de formação estelar mais ativas da vizinhança local.
A Via Láctea é composta por três grandes unidades estruturais. O bojo central é um aglomerado denso e aproximadamente esférico de estrelas predominantemente antigas. Ele é envolto pelo disco plano e rotativo, onde se encontram os braços espirais — é ali que ocorre praticamente toda a formação estelar ativa, impulsionada por gás e poeira. A moldura externa é formada pelo halo: uma região esférica, esparsamente povoada por estrelas antigas e aglomerados globulares, que também abriga o reservatório de matéria escura e se estende muito além do disco visível.
O Sol orbita o centro galáctico a cerca de 27.000 anos-luz de distância, encravado no Braço de Órion — uma ramificação relativamente pequena entre o Braço de Perseu, mais massivo, e o de Sagitário. Com uma velocidade orbital de cerca de 220–240 km/s, ele precisa de aproximadamente 225 a 250 milhões de anos para completar uma volta, o chamado ano galáctico. Desde sua formação, o Sol completou até agora cerca de 20 dessas órbitas.
No centro da Via Láctea encontra-se um buraco negro supermassivo, Sagitário A*, com cerca de 4,3 milhões de massas solares. Sua existência e massa não foram observadas diretamente, mas reconstruídas ao longo de décadas a partir das órbitas de estrelas individuais, que circundam o ponto invisível em elipses extremamente estreitas e rápidas. Reinhard Genzel e Andrea Ghez receberam por isso o Prêmio Nobel de Física de 2020. Em 2022, o Event Horizon Telescope conseguiu ainda a primeira imagem direta da sombra de Sagitário A*.
Galáxias não são objetos isolados e estáticos — em escalas de tempo cósmicas, elas colidem, se fundem e se deformam mutuamente. Quando duas galáxias se aproximam, forças de maré entram em ação: a borda mais próxima de uma galáxia é atraída com mais força do que a borda mais distante, o que arranca longas "caudas de maré" de estrelas e gás. Quando o gás interestelar é comprimido e adensado nesse processo, isso pode desencadear surtos gigantescos de formação estelar — os chamados starbursts, nos quais uma galáxia forma milhares de novas estrelas em poucos milhões de anos. As próprias estrelas quase não colidem diretamente — o espaço entre elas é imenso mesmo dentro de uma única galáxia; afetados são sobretudo o gás, a poeira e a estrutura em grande escala.
Quase toda galáxia massiva abriga em seu centro um buraco negro supermassivo — a maioria deles, como Sagitário A*, é hoje amplamente inativa, porque pouco material flui em sua direção. Mas se gás cai em quantidade suficiente na direção do buraco negro, forma-se um disco de acreção: o material se aquece por atrito a milhões de graus e irradia quantidades enormes de energia — de forma significativamente mais eficiente do que qualquer fusão nuclear conhecida. Parte dessa energia é ainda lançada ao espaço por jatos relativísticos ao longo do eixo de rotação, impulsionados pelo forte campo magnético nas proximidades do buraco negro. Esses centros são chamados de núcleos galácticos ativos (AGN).
Quasares são a manifestação mais luminosa dos núcleos galácticos ativos: podem irradiar mais energia do que todas as estrelas de sua galáxia hospedeira juntas, superando assim em brilho a própria galáxia — embora a fonte central de radiação tenha apenas algumas horas-luz de tamanho. Quasares ocorrem predominantemente no universo primitivo, quando ainda havia gás abundante para alimentar os buracos negros, e servem hoje aos astrônomos como "faróis" extremamente distantes para medir a estrutura do cosmos jovem.
Em 2024, o quasar J0529-4351 foi confirmado como o objeto mais brilhante já conhecido do universo. Seu buraco negro central devora material a uma taxa equivalente a uma massa solar por dia — o disco de acreção correspondente é, assim, mais brilhante do que 500 trilhões de sóis. Apesar de décadas de mapeamentos do céu, o objeto passou despercebido por muito tempo, porque se parecia de forma enganosa com uma estrela comum.
Algumas ordens de grandeza e observações que mostram como nossa imagem do universo galáctico é, na verdade, extraordinária.
Em relação à radiação cósmica de fundo em micro-ondas — o sistema de referência mais próximo possível do "repouso" do universo — a Via Láctea se move a cerca de 600 a 630 km/s. A causa é a atração gravitacional conjunta de concentrações de massa distantes, entre elas o chamado "Grande Atrator" na constelação do Centauro. Mesmo dentro de um universo aparentemente parado, nosso lar cósmico está, portanto, longe de ser tranquilo.
Quando o telescópio espacial Hubble expôs, em 1995, durante dez dias, uma minúscula região do céu aparentemente vazia — menor do que um grão de areia visto a um braço de distância —, o "Hubble Deep Field" resultante revelou mais de 3.000 galáxias. O telescópio espacial James Webb superou ainda mais essa profundidade, tornando visíveis galáxias de apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.
Galáxias anãs — pequenas, pouco luminosas, frequentemente sem estrutura marcante — são, de longe, a forma de galáxia mais comum no universo. Só ao redor da Via Láctea já são conhecidas várias dezenas dessas galáxias companheiras, muitas descobertas apenas graças a mapeamentos celestes cada vez mais sensíveis. Espirais e elípticas chamativas como as desta visão geral são exceções, não a regra.
Aglomerados de galáxias massivos curvam o espaço-tempo com tal intensidade que desviam mensuravelmente a luz de objetos de fundo mais distantes — visível como arcos distorcidos ou galáxias reproduzidas várias vezes. Esse efeito de lente gravitacional fornece uma das evidências mais fortes da matéria escura, cuja distribuição pode assim inclusive ser mapeada. Mais sobre isso na página Matéria & Energia Escura.