Quá trình nhận thức rằng chúng ta sống trong một thiên hà, và ngoài vũ trụ còn rất nhiều thiên hà khác, được dần hé lộ qua những khám phá về Ngân Hà và những tinh vân khác trong bầu trời đêm.

Ngân hà

Trung tâm Ngân Hà

Nhà triết học Hy Lạp Democritus (450–370 TCN) cho rằng dải sáng trên bầu trời đêm gọi là "Con đường sữa" có thể chứa những ngôi sao ở xa.[21]Tuy nhiên Aristotle (384–322 TCN), tin rằng dải sáng này có thể là do "ngọn lửa đốt từ nhiều ngôi sao lớn nằm gần nhau" tỏa ra và "sự đốt này diễn ra ở tầng bên trên khí quyển, bên trong vùng liên tục của Thế giới với chuyển động của thiên đàng."[22] Nhà triết học theo trường phái Plato mới, Olympiodorus Trẻ (495–570), đã phê bình quan điểm này dựa trên căn cứ khoa học khi ông cho rằng nếu Con đường sữa nằm dưới Mặt Trăng (nằm giữa Trái Đất và Mặt Trăng) thì nó sẽ xuất hiện dưới hình dáng khác nhau ở nhiều thời điểm và vị trí khác nhau trên Trái Đất, hay thể hiện đặc tính thị sai, mặc dù điều này đã không xảy ra. Theo quan điểm của ông, Ngân hà là thiên đàng. Quan niệm này đã có tầm ảnh hưởng về sau đối với thế giới Hồi giáo.[23]

Ngân Hà phía trên các ăngten của Dãy kính thiên văn ALMA.[24]

Theo Mohani Mohamed, nhà thiên văn Ả Rập Alhazen (965–1037) đã lần đầu tiên cố gắng đo được thị sai của Ngân Hà,[25] và do đó ông có thể "xác định được rằng bởi vì Ngân Hà không có thị sai, nó sẽ phải nằm rất xa Trái Đất và không thuộc vào khí quyển Trái Đất."[26] Nhà thiên văn Ba Tư al-Bīrūnī (973–1048) đề xuất ý nghĩ Ngân Hà là "tập hợp các mảnh không đếm được của các sao trong tinh vân trong tự nhiên."[27][28] Nhà thiên văn vùng Al-Andalus Ibn Bajjah ("Avempace", mất 1138) cho là Ngân Hà cấu thành từ nhiều ngôi sao mà hầu hết chúng chạm vào nhau và hiện ra như một hình ảnh liên tục do hiệu ứng khúc xạ bởi môi trường khí quyển,[22][29] dẫn chứng bởi quan sát của ông về hiện tượng giao hội của Sao Mộc và Sao Hỏa cho thấy hai thiên thể này có thể ở gần nhau.[22] Trong thế kỷ 14, Ibn Qayyim sinh ở Syria cho rằng Ngân Hà "là tập hợp vô vàn các ngôi sao nhỏ nằm gần nhau trong một mặt cầu của những ngôi sao cố định."[30]

Bằng chứng thực sự cho việc Ngân Hà chứa rất nhiều ngôi sao đến vào năm 1610 khi nhà bác học Galileo Galilei sử dụng một kính thiên văn để nghiên cứu Ngân Hà và ông phát hiện ra nó chứa rất nhiều các sao mờ.[31] Năm 1750 nhà thiên văn Anh Thomas Wright viết trong cuốn An original theory or new hypothesis of the Universe, khi ông đoán rằng (và đã đúng) thiên hà phải là một vật thể quay chứa vô số các sao được giữ bởi tương tác hấp dẫn, tương tự như sự hoạt động của Hệ Mặt Trời nhưng trên phạm vi lớn hơn. Đĩa các vì sao có thể nhìn thành một dải sáng mờ trên bầu trời đêm khi quan sát từ Trái Đất.[32] Trong một chuyên luận năm 1755, Immanuel Kant phát triển ý tưởng của Wright cho cấu trúc Ngân Hà.

Hình dáng của Ngân Hà phác thảo bởi William Herschel năm 1785 dựa trên việc đếm các ngôi sao quan sát thấy; ông giả sử Hệ Mặt Trời nằm ở gần tâm của hình vẽ.

William Herschel là người đầu tiên cố gắng miêu tả hình dáng của Ngân Hà và vị trí của Mặt Trời trong nó vào năm 1785 bằng cách đếm một cách cẩn thận từng ngôi sao ở nhiều vùng khác nhau trong bầu trời. Ông tạo ra hình vẽ Ngân Hà với Hệ Mặt Trời nằm gần ở tâm của nó.[33] Sử dụng cách tiếp cận tốt hơn, năm 1920 Jacobus Kapteyn đã thu được bức tranh của một thiên hà elipxoit nhỏ (đường kính vào khoảng 15 kiloparsec) với Mặt Trời nằm gần ở tâm. Một phương pháp khác do Harlow Shapley đề xuất dựa trên danh mục các cụm sao cầu lại đưa tới một hình ảnh khác hoàn toàn: đó là đĩa phẳng với đường kính xấp xỉ 70 kiloparsec và Mặt Trời nằm cách xa tâm của đĩa này.[32] Các phương pháp này chưa tính tới hiệu ứng bụi liên sao trong mặt phẳng Ngân Hà hấp thụ ánh sáng, nhưng sau đó Robert Julius Trumpler đã lượng hóa được hiệu ứng này vào năm 1930 dựa trên nghiên cứu về các cụm sao phân tán, và ông đã đưa ra được bức tranh hiện tại chính xác hơn về Ngân Hà.[34]

Phân biệt với tinh vân

Một số thiên hà chúng ta có thể nhìn thấy trên bầu trời đêm bằng mắt thường. Sớm nhất vào thế kỷ 10, nhà thiên văn học Ba Tư Al-Sufi đã ghi lại các quan sát về Thiên hà Tiên Nữ và miêu tả nó như là một "đám mây nhỏ".[35] Al-Sufi công bố công trình của ông trong cuốn Sách các định tinh năm 964, và trong cuốn này ông cũng ghi chép đến Đám mây Magellan lớn mà có thể nhìn thấy từ Yemen chứ không phải là từ Isfahan; người châu Âu biết đến các đám mây này khi Ferdinand Magellan thực hiện chyến hành trình vòng quanh thế giới vào thế kỷ 16.[36][37] Simon Marius cũng độc lập phát hiện lại thiên hà Andromeda vào năm 1612.[35] Đây là những thiên hà duy nhất bên ngoài Ngân Hà có thể dễ dàng quan sát bằng mắt thường, do vậy chúng là những thiên hà đầu tiên được quan sát từ Trái Đất.

Năm 1750 Thomas Wright, trong tác phẩm Lý thuyết nguồn gốc hay giả thuyết mới về Vũ trụ, phỏng đoán là (và đã đúng) Ngân Hà là một đĩa phẳng chứa các sao, và một số tinh vân hiện lên trên bầu trời đêm có thể không nằm trong Ngân Hà.[32][38] Năm 1755, Immanuel Kant đã sử dụng thuật ngữ "đảo Vũ trụ" để miêu tả những tinh vân ở xa này.

Ảnh chụp "Đại tinh vân Andromeda" vào năm 1899, mà sau này các nhà thiên văn nhận ra nó là thiên hà Andromeda.

Đến cuối thế kỷ 18, Charles Messier biên soạn danh mục bao gồm 109 tinh vân sáng nhất (gồm cả những thiên thể hiện ra giống như tinh vân), và sau đó William Herschel soạn ra một danh mục lớn hơn gồm 5.000 tinh vân.[32] Năm 1845, Huân tước Rosse cho xây dựng một kính thiên văn mới cho phép ông có thể phân biệt được tinh vân hình xoắn ốc và tinh vân hình elip. Ông cũng nhận ra từng nguồn sáng trong một số tinh vân này, và ủng hộ cho phỏng đoán trước đó của Kant.[39]

Năm 1912, Vesto Slipher nghiên cứu quang phổ của những tinh vân sáng nhất nhằm xác định xem các thành phần hóa học trong chúng có xuất hiện trong hệ hành tinh hay không. Tuy nhiên, Slipher phát hiện ra rằng các tinh vân xoắn ốc có độ dịch chuyển đỏ cao ám chỉ chúng đang chuyển động ra xa ở một vận tốc lớn hơn vận tốc thoát của Ngân Hà. Do vậy chúng không liên kết hấp dẫn với Ngân Hà, và rõ ràng không thuộc về thiên hà này.[40][41]

Phác họa Messier 51 của Huân tước Rosse năm 1845, sau này gọi là Thiên hà Xoáy Nước.

Năm 1917, Heber Curtis thực hiện quan sát sao mới S Andromedae bên trong "Đại Tinh vân Andromeda" (ngày nay là thiên hà Tiên nữ, hay M31). Khi lục lại các ảnh chụp tinh vân này, ông tìm thấy thêm 11 sao mới khác. Curtis nhận thấy rằng trên trung bình những sao mới này mờ hơn 10 lần so với những sao mới nằm trong thiên hà của chúng ta. Từ đây ông có thể ước lượng khoảng cách đến chúng trong phạm vi 150.000 parsec. Ông trở thành người đề xướng cho giả thuyết "đảo vũ trụ"; giả thuyết này cho rằng các tinh vân xoắn ốc thực sự là những thiên hà độc lập.[42]

Vào năm 1920 đã nổ ra một cuộc tranh cãi lớn trong thiên văn học giữa Harlow Shapley và Heber Curtis về bản chất của Ngân Hà, các tinh vân xoắn ốc, và kích thước của Vũ trụ. Để biện giải cho quan điểm của mình rằng Đại tinh vân Andromeda là một thiên hà nằm ở bên ngoài, Curtis chỉ ra sự xuất hiện của những làn tối giống như những đám mây bụi trong Ngân Hà, cũng như giá trị dịch chuyển Doppler lớn đo được từ quang phổ của tinh vân Tiên Nữ.[43]

Vấn đề này đã đi đến hồi kết vào đầu thập niên 1920. Năm 1922, nhà thiên văn học người Estonia Ernst Öpik đo được khoảng cách đến tinh vân Tiên Nữ dẫn đến sự ủng hộ lý thuyết cho rằng nó quả thực là một thiên hà ở xa.[44] Sử dụng kính thiên văn 2,5m trên núi Wilson, Edwin Hubble đã có thể thấy rõ được chi tiết một số tinh vân xoắn ốc như là tập hợp của các ngôi sao và phát hiện ra một vài sao biến đổi Cepheid, cho phép ông ước lượng được khoảng cách đến những tinh vân này và ông kết luận rằng chúng ở quá xa để có thể thuộc về Ngân Hà.[45] Năm 1936 Hubble lập ra hệ thống phân loại thiên hà còn được sử dụng cho đến ngày nay, còn gọi là dãy Hubble.[46]

Nghiên cứu hiện đại

Đường cong quay của một thiên hà xoắn ốc điển hình: tiên đoán dựa trên vật chất theo dõi được (A) và kết quả (B). Khoảng cách tính từ tâm thiên hà.Một trong những thiên hà xa nhất UDFy-38135539

Năm 1944, Hendrik van de Hulst tiên đoán bức xạ vi ba tại buóc sóng 21 cm phát ra từ khí nguyên tử hiđrô có thể phát hiện được ở vị trí trung gian giữa các ngôi sao;[47] và nó đã được quan sát thấy vào năm 1951. Bức xạ này cho phép các nhà thiên văn nâng cao khả năng nghiên cứu thiên hà Ngân Hà do nó không bị ảnh hưởng bởi khí bụi liên sao và hiệu ứng dịch chuyển Doppler được ứng dụng để vẽ ra bản đồ chuyển động của khí bụi trong thiên hà. Những quan sát này dẫn đến phỏng đoán về cấu trúc đường thẳng đi qua tâm Ngân Hà.[48] Với các kính thiên văn vô tuyến có độ phân giải tốt hơn, khí hiđrô cũng phát hiện thấy tồn tại ở các thiên hà khác.

Trong thập niên 1970, Vera Rubin đã phát hiện ra tốc độ quay của các khí trong thiên hà vượt quá tốc độ quay tính toán dựa trên tổng khối lượng quan sát của thiên hà (gồm các ngôi sao và khí). Vấn đề tốc độ quay của thiên hà được cho là có thể giải thích được bằng sự có mặt của một lượng lớn vật chất tối không nhìn thấy được.[49][50]

Bước vào thập niên 1990, kính thiên văn không gian Hubble bắt đầu thực hiện sứ mệnh quan sát các thiên thể trong bước sóng khả kiến. Một trong những kết luận quan trọng thu được từ các bức ảnh Hubble đó là lượng vật chất tối không nhìn thấy được không thể chỉ gán cho khối lượng những ngôi sao nhỏ và mờ.[51] Vùng Sâu Hubble, một miền nhỏ tương đối trống trải trên bầu trời được quan sát nhiều lần bởi kính Hubble, mang lại số liệu làm căn cứ ước lượng có khoảng 125 tỷ (&0000125000000000.0000001.25×1011) thiên hà trong Vũ trụ quan sát được.[52] Những tiến bộ về công nghệ thu tín hiệu điện từ ngoài miền khả kiến (kính thiên văn vô tuyến, camera hồng ngoại, kính thiên văn tia X) cho phép các nhà thiên văn phát hiện và nghiên cứu những thiên hà khác nằm ngoài khả năng của Hubble. Đặc biệt, dự án khảo sát thiên hà trong vùng bị che khuất (Zone of Avoidance - vùng bầu trời bị các làn bụi trong mặt phẳng Ngân Hà che khuất) cho thấy có thêm nhiều thiên hà trong những vùng chưa được nghiên cứu kỹ này.[53]

Trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal năm 2016, các nhà khoa học ở Đại học Nottingham sử dụng mô hình 3D xây dựng từ các ảnh chụp thu thập trên 20 năm từ Kính thiên văn Không gian Hubble đi đến kết luận rằng có ít nhất 2 nghìn tỷ thiên hà trong Vũ trụ quan sát được.[54][55][9][56]