Các thiên hà là những hệ thống bao gồm bụi, khí, vật chất tối và bất kỳ nơi nào từ một triệu đến một nghìn tỷ ngôi sao được kết dính với nhau bằng lực hấp dẫn. Gần như tất cả các thiên hà lớn được cho là cũng chứa các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của chúng. Trong thiên hà của chúng ta, Dải Ngân hà, mặt trời chỉ là một trong số khoảng 100 đến 400 tỷ ngôi sao quay xung quanh Sagittarius A, một lỗ đen siêu lớn có khối lượng tương đương với bốn triệu mặt trời. Chúng ta càng nhìn sâu vào vũ trụ, chúng ta càng thấy nhiều thiên hà hơn. Một nghiên cứu năm 2016 ước tính rằng vũ trụ có thể quan sát được chứa hai nghìn tỷ - hoặc hai triệu triệu - thiên hà. Một số hệ thống xa xôi đó tương tự như thiên hà Milky Way của chúng ta, trong khi những hệ thống khác hoàn toàn khác. Các loại thiên hà Trước thế kỷ 20, chúng ta không biết rằng các thiên hà khác ngoài Dải Ngân hà tồn tại; các nhà thiên văn học trước đó đã phân loại chúng là "tinh vân", vì chúng trông giống như những đám mây mờ. Nhưng vào những năm 1920, nhà thiên văn học Edwin Hubble đã chỉ ra rằng "tinh vân Tiên nữ" là một thiên hà theo đúng nghĩa của nó. Vì nó ở rất xa chúng ta, nên cần ánh sáng từ Andromeda hơn 2, 5 triệu năm để thu hẹp khoảng cách. Bất chấp khoảng cách rộng lớn, Andromeda là thiên hà lớn gần nhất với Dải Ngân hà của chúng ta và nó đủ sáng trên bầu trời đêm để có thể nhìn thấy bằng mắt thường ở Bắc bán cầu. Năm 1936, Hubble đưa ra cách phân loại các thiên hà, nhóm chúng thành 4 loại chính: Thiên hà xoắn ốc, thiên hà dạng thấu kính, thiên hà hình elip và thiên hà không đều. Hơn 2/3 tổng số thiên hà được quan sát là thiên hà xoắn ốc. Thiên hà xoắn ốc có một đĩa phẳng, quay tròn với phần phình ra ở trung tâm được bao quanh bởi các nhánh xoắn ốc. Chuyển động quay tròn đó, với tốc độ hàng trăm km một giây, có thể khiến vật chất trong đĩa có hình dạng xoắn ốc đặc biệt, giống như một chong chóng vũ trụ. Dải Ngân hà của chúng ta, giống như các thiên hà xoắn ốc khác, có một thanh sao tuyến tính ở trung tâm của nó. Các thiên hà hình elip có hình dạng như tên gọi của chúng: Nhìn chung, chúng có hình tròn nhưng có thể kéo dài hơn dọc theo trục này so với trục kia, đến mức một số có hình dáng giống điếu xì gà. Các thiên hà được biết đến lớn nhất của vũ trụ - các thiên hà hình elip khổng lồ - có thể chứa tới một nghìn tỷ ngôi sao và trải dài qua hai triệu năm ánh sáng. Các thiên hà elip cũng có thể nhỏ, trong trường hợp đó chúng được gọi là thiên hà elip lùn. Các thiên hà hình elip chứa nhiều ngôi sao cũ hơn, nhưng ít bụi và các vật chất giữa các vì sao khác. Các ngôi sao của chúng quay quanh trung tâm thiên hà, giống như những ngôi sao trong đĩa của các thiên hà xoắn ốc, nhưng chúng quay theo các hướng ngẫu nhiên hơn. Rất ít ngôi sao mới được biết đến hình thành trong các thiên hà hình elip. Chúng phổ biến trong các cụm thiên hà. Các thiên hà dạng thấu kính, chẳng hạn như Thiên hà Sombrero mang tính biểu tượng, nằm giữa các thiên hà hình elip và xoắn ốc. Chúng được gọi là "dạng thấu kính" vì chúng giống thấu kính: Giống như các thiên hà xoắn ốc, chúng có một đĩa mỏng, xoay tròn của các ngôi sao và một phần phình ra ở trung tâm, nhưng chúng không có các nhánh xoắn ốc. Giống như các thiên hà hình elip, chúng có ít bụi và vật chất giữa các vì sao, và chúng dường như hình thành thường xuyên hơn trong các vùng không gian đông dân cư. Các thiên hà không phải dạng xoắn ốc, dạng thấu kính hoặc hình elip được gọi là các thiên hà không đều. Các thiên hà bất thường - chẳng hạn như các Đám mây Magellan Lớn và Nhỏ ở bên cạnh Dải Ngân hà của chúng ta - trông có vẻ không ổn định và không có hình dạng riêng biệt, thường là do chúng nằm trong ảnh hưởng hấp dẫn của các thiên hà khác gần đó. Chúng chứa đầy khí và bụi, điều này khiến chúng trở thành những vườn ươm tuyệt vời để hình thành các ngôi sao mới. Các cụm thiên hà và sự hợp nhất Một số thiên hà xảy ra đơn lẻ hoặc thành từng cặp, nhưng chúng thường là những phần của các liên kết lớn hơn được gọi là nhóm, cụm và siêu đám. Ví dụ, Dải Ngân hà của chúng ta nằm trong Nhóm Địa phương, một nhóm thiên hà có chiều ngang khoảng 10 triệu năm ánh sáng cũng bao gồm thiên hà Andromeda và các vệ tinh của nó. Nhóm Địa phương và cụm thiên hà hàng xóm của nó, Cụm Xử Nữ, đều nằm trong Siêu đám Xử Nữ lớn hơn, tập trung các thiên hà trải dài khoảng 100 triệu năm ánh sáng. Đến lượt mình, Siêu lớp Xử Nữ là một chi của Laniakea, một siêu lớp thậm chí còn lớn hơn 100.000 thiên hà mà các nhà thiên văn đã xác định vào năm 2014. Các thiên hà trong cụm thường tương tác và thậm chí hợp nhất với nhau trong một vũ trụ vũ trụ năng động của lực hấp dẫn tương tác. Khi hai thiên hà va chạm và xen vào nhau, các chất khí có thể chảy về phía trung tâm thiên hà, có thể gây ra các hiện tượng như sự hình thành sao nhanh chóng. Dải Ngân hà của chính chúng ta sẽ hợp nhất với thiên hà Andromeda trong khoảng 4, 5 tỷ năm nữa. Bởi vì các thiên hà elip chứa các ngôi sao cũ hơn và ít khí hơn các thiên hà xoắn ốc, nên có vẻ như các loại thiên hà đại diện cho một phần của quá trình tiến hóa tự nhiên: Khi các thiên hà xoắn ốc già đi, tương tác và hợp nhất, chúng mất đi hình dạng quen thuộc và trở thành thiên hà elip. Nhưng các nhà thiên văn học vẫn đang tìm ra các chi tiết cụ thể, chẳng hạn như tại sao các thiên hà hình elip tuân theo các mô hình nhất định về độ sáng, kích thước và thành phần hóa học. Nguồn gốc thiên hà Những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ bốc cháy khoảng 180 triệu năm sau vụ nổ lớn, khoảnh khắc bùng nổ cách đây 13, 8 tỷ năm đánh dấu nguồn gốc của vũ trụ như chúng ta đã biết. Lực hấp dẫn đã tạo ra các thiên hà đầu tiên thành hình dạng vào thời điểm vũ trụ tròn 400 triệu năm tuổi, tức là ít hơn 3% so với tuổi hiện tại. Các nhà thiên văn học hiện nay nghĩ rằng gần như tất cả các thiên hà - với những ngoại lệ có thể xảy ra - đều nằm trong những quầng sáng khổng lồ của vật chất tối. Các mô hình lý thuyết cũng gợi ý rằng trong vũ trụ sơ khai, những dải vật chất tối khổng lồ cung cấp cho vật chất bình thường giàn hấp dẫn mà nó cần để kết hợp lại thành các thiên hà đầu tiên. Nhưng vẫn còn những câu hỏi bỏ ngỏ về cách các thiên hà hình thành. Một số người tin rằng các thiên hà được hình thành từ các cụm sao nhỏ hơn khoảng một triệu ngôi sao, được gọi là các cụm sao cầu, trong khi những người khác cho rằng các thiên hà được hình thành đầu tiên và sau đó là các cụm sao cầu sinh ra. Cũng rất khó để tìm ra có bao nhiêu ngôi sao của một thiên hà nhất định được hình thành tại chỗ từ khí của chính nó, so với việc hình thành trong một thiên hà khác và tham gia nhóm sau đó. Bằng cách cho phép các nhà thiên văn quan sát những điểm đến xa nhất của vũ trụ - và những khoảnh khắc sớm nhất - các công cụ như Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA sẽ giúp giải quyết các câu hỏi còn tồn tại.
