Galaksi
Galaksi adalah sebuah sistem masif yang terikat gaya gravitasi yang terdiri atas bintang (dengan segala bentuk manifestasinya, antara lain bintang neutron dan lubang hitam), gas dan debu medium antarbintang, dan materi gelap–komponen yang penting namun belum begitu dimengerti. Kata galaksi berasal dari bahasa Yunani "galaxias" (γαλαξίας), yang berarti "seperti susu," yang merujuk pada galaksi Bima Sakti (bahasa Inggris: "Milky Way" [jalan susu]). Galaksi yang ada berkisar dari galaksi katai dengan hanya sepuluh juta (10) bintang hingga galaksi raksasa dengan seratus triliun (10) bintang, yang semuanya mengorbit pada pusat massa galaksi masing-masing. Matahari adalah salah satu bintang dalam galaksi Bima Sakti; tata surya termasuk bumi dan semua benda yang mengorbit Matahari.
Tiap galaksi memiliki jumlah sistem bintang dan gugus bintang yang beragam, demikian juga jenis awan antarbintangnya. Di antara galaksi-galaksi ini tersebar medium antarbintang berupa gas, debu, dan sinar kosmis. Lubang hitam supermasif terdapat di pusat sebagian besar galaksi. Diperkirakan lubang hitam supermasif inilah penyebab utama inti galaksi aktif yang ditemukan pada sebagian galaksi. Galaksi Bima Sakti diketahui memiliki setidaknya satu lubang hitam supermasif.
Secara historis galaksi dikelompokkan berdasarkan bentuk terlihatnya atau biasa disebut morfologi visualnya. Bentuk yang umum adalah galaksi eliptis, yang memiliki profil cahaya berbentuk elips. Galaksi spiral adalah galaksi berbentuk cakram dengan lengan galaksi yang melengkunng dan berisi debu. Galaksi dengan bentuk yang tak beraturan atau tidak biasa disebut galaksi tak beraturan dan biasanya disebabkan karena gangguan oleh tarikan gravitasi galaksi tetangga. Interaksi yang demikian antara galaksi-galaksi yang berdekatan dapat menyebabkan penggabungan, yang terkadang meningkatkan jumlah pembentukan bintang hingga menghasilkan galaksi starburst.
Kemungkinan terdapat lebih dari 170 miliar () galaksi dalam alam semesta teramati. Sebagian besar berdiameter 1000 hingga 100.000 parsec dan biasanya dipisahkan oleh jarak beberapa juta parsec (atau megaparsec). Ruang antargalaksi diisi oleh gas tipis dengan kerapatan massa kurang dari satu atom per meter kubik. Sebagian besar galaksi diorganisasikan ke dalam sebuah hierarki himpunan yang disebut kelompok dan gugus, yang pada gilirannya membentuk himpunan yang lebih besar yang disebut gugus raksasa. Dalam skala terbesar himpunan-himpunan ini umumnya tersusun dalam lapisan dan untaian yang dikelilingi oleh kehampaan yang sangat luas.
Meskipun belum dipahami secara menyeluruh, materi gelap kemungkinan menyusun sekitar 90% dari massa sebagian besar galaksi. Data pengamatan menunjukkan lubang hitam supermasif kemungkinan ada di pusat dari banyak (kalau tidak semua) galaksi.
Kata "galaksi" berasal dari istilah bahasa Yunani untuk menyebut galaksi kita, "galaxias" (γαλαξίας) atau "kyklos galaktikos" (κύκλος γαλακτικός). Masing-masing berarti "sesuatu yang menyerupai susu" dan "lingkaran susu", sesuai dengan penampakannya di angkasa berupa pita putih samar. Dalam mitologi Yunani, Zeus menempatkan anak laki-lakinya yang dilahirkan oleh manusia biasa, bayi Heracles, pada payudara Hera ketika Hera sedang tidur sehingga bayi tersebut meminum susunya dan karena itu menjadi manusia abadi. Hera terbangun ketika sedang menyusui dan kemudian menyadari ia sedang menyusui bayi yang tak dikenalnya: ia mendorong bayi tersebut dan air susunya menyembur mewarnai langit malam, menghasilkan pita cahaya tipis yang dikenal dalam bahasa Inggris sebagai "Milky Way" (jalan susu).
Ketika William Herschel menyusun "katalog nebula" miliknya pada tahun 1786, dia menggunakan istilah "nebula spiral" untuk objek-objek tertentu seperti objek M31. Di kemudian waktu akan disadari bahwa objek tersebut sebenarnya merupakan kumpulan dari banyak bintang, dan dipakailah istilah ""island universe"" ("alam semesta pulau") untuk merujuk pada objek yang demikian. Namun, kemudian disadari bahwa kata ""universe"" (alam semesta) berarti keseluruhan jagad raya, sehingga istilah ini tidak dipakai lagi dan objek yang demikian kemudian dikenal sebagai galaksi.
Pengetahuan bahwa kita hidup di dalam sebuah galaksi dan bahwa terdapat banyak galaksi lainnya, diperoleh seiring dengan penemuan-penemuan kita tentang Bima Sakti dan nebula-nebula lainnya di langit malam.
Filsuf Yunani Democritus (450–370 SM) mengemukakan bahwa pita kabut putih di langit malam hari yang dikenal sebagai Bima Sakti kemungkinan terdiri dari bintang-bintang yang sangat jauh jaraknya. Namun Aristoteles (384–322 SM), memercayai bahwa pita tersebut disebabkan oleh "kobaran hembusan napas yang menyala-nyala dari banyak bintang besar yang berjarak dekat satu sama lain" dan bahwa "kobaran ini terjadi di bagian atas atmosfer, yaitu di wilayah dunia yang selalu diisi dengan gerakan surgawi." Filsuf neoplatonis Olympiodorus Junior (± 495–570) kritis terhadap pandangan ini secara ilmiah, beralasan bahwa jika memang benar Bima Sakti berada di wilayah "sublunar" (terletak antara bumi dan bulan), maka harusnya ia terlihat berbeda pada waktu dan tempat yang berbeda di bumi, dan ia seharusnya memiliki paralaks, yang ternyata tidak. Dalam pandangannya, Bima Sakti terletak jauh di angkasa. Pendapat ini akan sangat berpengaruh nantinya di dalam dunia Islam.
Menurut Mohani Muhammad, astronom Arab Ibnu Haitham (965–1037) adalah orang yang melakukan usaha-usaha pertama dalam mengamati dan mengukur paralaks Bima Sakti, dan ia menjadi "berkeyakinan kuat bahwa karena Bima Sakti tidak memiliki paralaks, pastilah jaraknya sangat jauh dari bumi dan bukannya berada dalam atmosfer." Astronom Persia Al-Biruni (973–1048) mengemukakan bahwa Bima Sakti merupakan "kumpulan yang tak terhitung jumlahnya dari bagian-bagian yang bersifat seperti bintang nebula." Astronom Andalusia Ibnu Bajjah (dikenal di barat dengan nama latin ""Avempace"", meninggal 1138) mengemukakan bahwa Bima Sakti dibentuk oleh banyak bintang yang saling hampir bersentuhan satu dengan yang lain sehingga tampak menjadi seperti gambar sinambung akibat pengaruh pembiasan dari material "sublunar", mengutip hasil pengamatannya terhadap konjungsi antara Jupiter dan Mars sebagai bukti bahwa hal tersebut dapat terjadi jika dua objek saling berdekatan. Pada abad ke-14, ilmuwan kelahiran Suriah Ibnu Qayyim, mengemukakan bahwa Bima Sakti merupakan "bintang-bintang kecil yang tak terhitung jumlahnya saling berdesakan dalam alam bintang-bintang tetap".
Bukti nyata bahwa Bima Sakti terdiri atas banyak bintang, datang pada tahun 1610 ketika astronom Italia Galileo Galilei menggunakan sebuah teleskop untuk mempelajari Bima Sakti dan menemukan bahwa Bima Sakti tersusun atas bintang-bintang redup dalam jumlah yang luar biasa banyaknya. Pada tahun 1750 astronom Inggris Thomas Wright, dalam bukunya "An original theory or new hypothesis of the Universe" (Teori asli atau hipotesis baru tentang Alam Semesta), berspekulasi (namun benar) bahwa Bima Sakti kemungkinan adalah sebuah badan berputar dari bintang-bintang dalam jumlah besar yang diikat oleh gaya gravitasi, serupa dengan tata surya namun dalam skala yang jauh lebih besar. Piringan bintang yang dihasilkan dapat terlihat sebagai pita di langit dari sudut pandang kita dalam piringan tersebut. Dalam risalah pada tahun 1755, Immanuel Kant mengembangkan ide Wright tentang struktur Bima Sakti.
Usaha pertama untuk menggambarkan bentuk Bima Sakti dan letak matahari di dalamnya dilakukan oleh William Herschel pada tahun 1785 dengan cara menghitung secara hati-hati jumlah bintang yang ada di berbagai wilayah langit yang beda. Dia menghasilkan sebuah diagram bentuk Bima Sakti dengan tata surya terletak dekat dengan pusatnya. Menggunakan pendekatan yang lebih baik, Jacobus Kapteyn pada tahun 1920 sampai pada kesimpulan berupa sebuah gambar galaksi elipsoid kecil (dengan garis tengah kira-kira 15 kiloparsec) dengan matahari terletak dekat dengan pusat galaksi. Metode yang berbeda oleh Harlow Shapley berdasarkan pengatalogan gugus bola menghasilkan gambar yang sangat jauh berbeda: sebuah piringan pipih dengan garis tengah kira-kira 70 kiloparsec dan matahari terletak jauh dari pusat galaksi. Kedua analisis tersebut gagal memperhitungkan penyerapan cahaya oleh debu antarbintang yang ada di bidang galaksi, namun setelah Robert Julius Trumpler menghitung efek ini pada tahun 1930 dengan mempelajari gugus terbuka, gambaran terkini galaksi tuan rumah kita, Bima Sakti, terlahir.
Pada abad ke-10, astronom Persia As-Sufi membuat pengamatan yang tercatat paling awal terhadap galaksi Andromeda, menggambarkannya sebagai "awan kecil". As-Sufi yang menerbitkan temuannya dalam "Kitab Bintang-Bintang Tetap" pada tahun 964, juga mengenali Awan Magellan Besar yang dapat dilihat dari Yaman, walau bukan dari Isfahan; dan galaksi ini tidak akan dilihat oleh orang Eropa hingga perjalanan Magellan pada abad ke-16. Galaksi Andromeda ditemukan kembali secara terpisah oleh Simon Marius pada tahun 1612. Hanya kedua galaksi inilah galaksi di luar Bima Sakti yang mudah dilihat dengan mata telanjang, menjadikan keduanya sebagai galaksi-galaksi pertama yang diamati dari bumi. Pada tahun 1750 Thomas Wright dalam bukunya "An original theory or new hypothesis of the Universe" (Teori asli atau hipotesis baru tentang Alam Semesta), berspekulasi (namun benar) bahwa Bima Sakti adalah sebuah badan berputar dari bintang-bintang, dan bahwa beberapa nebula yang tampak di malam hari bisa jadi merupakan Bima Sakti yang lain.
Menuju akhir abad ke-18, Charles Messier menghimpun sebuah katalog yang berisi 109 nebula (objek angkasa dengan tampilan berkabut) yang paling terang, yang kemudian diikuti dengan sebuah katalog yang lebih besar yang berisi 5.000 nebula disusun oleh William Herschel. Pada tahun 1845, Lord Rosse membangun sebuah teleskop baru yang mampu membedakan nebula elips dan spiral. Dia juga berhasil membedakan titik-titik sumber cahaya tunggal di beberapa nebula ini.
Pada tahun 1912 Vesto Slipher membuat penelitian dengan spektrografi terhadap nebula-nebula spiral paling terang untuk menentukan apakah mereka terbuat dari bahan-bahan kimia yang diharapkan ada dalam sebuah sistem planet. Namun Slipher menemukan bahwa nebula spiral memiliki geseran merah yang tinggi, menunjukkan bahwa mereka sedang bergerak menjauh dengan kecepatan yang lebih tinggi dari kecepatan lepas Bima Sakti. Karena itu disimpulkan bahwa galaksi-galaksi tersebut tidak terikat secara gravitasi pada Bima Sakti dan kecil kemungkinannya merupakan bagian dari Bima Sakti.
Pada tahun 1917, Heber Curtis mengamati bahwa terdapat sebuah bintang baru, S Andromedae, dalam "Nebula Andromeda Besar" (sebagaimana Galaksi Andromeda, Objek Messier M31 dikenal saat itu). Dengan mencari rekaman foto, dia menemukan 11 bintang baru lainnya. Curtis memperhatikan bahwa bintang-bintang baru ini rata-rata 10 magnitudo lebih redup dibandingkan dengan bintang-bintang baru yang muncul di galaksi kita. Sebagai hasilnya dia dapat menghitung perkiraan jaraknya adalah 150,000 parsec. Dia menjadi pendukung hipotesis yang disebut ""island universes"" yang beranggapan bahwa nebula spiral sebenarnya adalah galaksi tersendiri.
Pada tahun 1920, apa yang disebut "Debat Besar" terjadi antara Harlow Shapley and Heber Curtis mengenai sifat Bima Sakti, nebula spiral dan dimensi alam semesta. Untuk mendukung klaimnya yang menyatakan Nebula Andromeda Besar merupakan sebuah galaksi luar, Curtis menunjukkan bukti berupa munculnya jalur-jalur gelap menyerupai awan debu yang terdapat pada Bima Sakti dan juga pergeseran Doppler yang cukup besar.
Permasalahan tersebut terselesaikan dengan pasti pada tahun 1922 ketika astronom Estonia Ernst Öpik memberikan penentuan jarak yang mendukung teori bahwa Nebula Andromeda adalah benar merupakan sebuah objek luar galaksi yang jauh. Dengan menggunakan teleskop 100 inci baru milik Observatorium Gunung Wilson, Edwin Hubble berhasil menentukan bahwa bagian luar sebagian nebula spiral merupakan kumpulan dari bintang-bintang tunggal dan mengidentifikasi beberapa Bintang variabel Chepeid, yang memungkinkannya memperkirakan jarak nebula-nebula tersebut: mereka terlalu sangat jauh untuk dapat menjadi bagian dari Bima Sakti. Pada tahun 1936 Hubble menciptakan sebuah sistem klasifikasi untuk galaksi yang masih dipergunakan hingga saat ini yakni urutan Hubble.
Pada tahun 1944, Hendrik van de Hulst memperkirakan akan adanya radiasi gelombang mikro dengan panjang gelombang 21 cm yang berasal dari gas antarbintang yang berisi atom hidrogen; radiasi ini diamati pada tahun 1951. Radiasi ini memungkinkan penelitian yang jauh lebih baik terhadap galaksi Bima Sakti, karena radiasi tersebut tidak terpengaruh penyerapan oleh debu antarbintang, dan pergeseran Doppler-nya dapat digunakan untuk memetakan pergerakan gas tersebut di dalam galaksi. Pengamatan ini mendorong terciptanya postulat tentang struktur batang yang berputar pada pusat galaksi. Dengan teleskop radio yang ditingkatkan, gas hidrogen dapat juga dilacak pada galaksi-galaksi lain.
Pada tahun 1970, berdasarkan penelitian Vera Rubin terhadap kecepatan rotasi gas dalam galaksi, ditemukan bahwa total massa terlihat (bintang dan gas) tidak sesuai dengan kecepatan berputar gas tersebut. Masalah perputaran galaksi ini dikira dapat dijelaskan dengan adanya sejumlah besar materi gelap yang tak terlihat.
Sejak tahun 1990-an, Teleskop Angkasa Hubble menghasilkan pengamatan yang lebih baik. Di antaranya, hasil pengamatan dengan Teleskop Hubble membuktikan bahwa materi gelap yang hilang dalam galaksi kita tidak mungkin pada dasarnya hanya terdiri dari bintang-bintang redup atau kecil. "Hubble Deep Field", sebuah foto dengan eksposur yang sangat panjang wilayah langit yang relatif kosong, memberikan bukti bahwa terdapat kira-kira 125 miliar () galaksi di alam semesta. Peningkatan dalam teknologi pendeteksian spektrum-spektrum tak kasat mata (teleskop radio, kamera inframerah, dan teleskop sinar x) memungkinkan pendeteksian galaksi-galaksi lain yang tidak terdeteksi sebelumnya oleh teleskop Hubble. Secara khusus, survei galaksi dalam zona langka galaksi (wilayah langit yang terhalang oleh Bima Sakti) berhasil menunjukkan sejumlah galaksi baru.
Galaksi dapat dikelompokkan dalam tiga jenis utama: eliptis, spiral dan tak beraturan. Gambaran yang lebih lengkap mengenai jenis galaksi berdasarkan bentuknya bisa didapatkan dalam sistem klasifikasi Hubble. Karena sistem klasifikasi Hubble hanya berdasarkan pada pengamatan visual, klasifikasi ini mungkin melewatkan beberapa karakteristik penting dari galaksi, seperti laju pembentukan bintang (di galaksi starburst) dan aktivitas inti galaksi (di galaksi aktif).
Sistem klasifikasi Hubble membedakan galaksi eliptis berdasarkan tingkat keelipsannya, dari E0 yang hampir berupa lingkaran, hingga E7 yang sangat lonjong. Galaksi dalam kategori ini memiliki bentuk dasar elipsoid, sehingga tampak elips dari berbagai sudut pandang. Galaksi tipe ini tampak memiliki sedikit struktur dan sedikit materi antarbintang, sehingga galaksi demikian memiliki sedikit gugus terbuka dan laju pembentukan bintang yang lambat. Galaksi tipe ini didominasi oleh bintang tua yang beredar mengelilingi pusat gravitasi dengan arah yang acak. Bintang-bintang dalam galaksi ini memiliki sedikit unsur-unsur berat karena pembentukan bintang sudah berhenti setelah lonjakan awalnya. Dalam hal tersebut, galaksi tipe ini mirip dengan gugus bola.
Galaksi-galaksi terbesar di alam semesta berbentuk galaksi eliptis raksasa. Kebanyakan galaksi eliptis dipercayai terbentuk akibat interaksi antar galaksi yang menyebabkan tabrakan atau penggabungan. Galaksi starburst merupakan akibat dari tabrakan yang demikian dan dapat menyebabkan pembentukan galaksi eliptis.
Galaksi spiral terdiri dari sebuah piringan bintang-bintang yang berotasi, materi antarbintang, serta sebuah tonjolan pusat yang terdiri dari bintang-bintang tua. Selain itu, terdapat lengan-lengan spiral terang yang menjulur dari tonjolan pusat. Dalam sistem klasifikasi Hubble, galaksi spiral digolongkan sebagai tipe "S", diikuti sebuah huruf ("a", "b", atau "c") yang menunjukkan tingkat kerapatan dari lengan spiral dan ukuran dari tonjolan pusat. Galaksi "Sa" memiliki lengan spiral yang samar dan bergulung rapat, serta tonjolan pusat yang relatif besar. Sedangkan galaksi "Sc" memiliki lengan spiral yang jelas dan melebar serta tonjolan pusat yang relatif kecil. Galaksi spiral dengan lengan yang tidak jelas terkadang disebut galaksi spiral "flocculent". Sedang galaksi dengan lengan yang jelas dan menonjol disebut galaksi spiral "grand design".
Dalam galaksi spiral, lengannya membentuk pola seperti spiral logaritmis, pola yang secara teoretis terbentuk karena adanya gangguan terhadap massa bintang yang berputar seragam. Dalam teori gelombang kepadatan lengan spiral ini diperkirakan berisi materi berkepadatan tinggi. Saat bintang melewati salah satu lengan galaksi kecepatannya dipengaruhi oleh gaya gravitasi daerah yang kepadatan materinya lebih tinggi, dan kembali normal saat bintang sudah melewatinya. Efek ini mirip dengan "gelombang" pelambatan mobil di jalan raya yang penuh mobil. Lengan galaksi terlihat jelas karena kepadatan materi yang tinggi memungkinkan pembentukan bintang sehingga terdapat banyak bintang muda dan terang di sana.
Sebagian besar galaksi spiral memiliki kumpulan bintang berbentuk batang lurus yang memanjang keluar dari sisi daerah inti dan kemudian bergabung dengan struktur lengan spiral. Dalam sistem klasifikasi Hubble, galaksi ini dikategorikan sebagai "SB", dan diikuti huruf ("a", "b" atau "c") yang mengindikasikan bentuk lengan spiralnya (serupa dengan penggolongan galaksi spiral biasa). Batang galaksi diperkirakan merupakan struktur sementara yang disebabkan oleh gelombang materi berkepadatan tinggi dari inti galaksi, atau karena interaksi pasang surut dengan galaksi lain. Banyak galaksi spiral berbatang yang berinti aktif, kemungkinan karena adanya gas yang menuju ke inti melalui lengan spiral.
Galaksi Bima Sakti merupakan galaksi spiral berbatang ukuran besar dengan diameter sekitar 30 kiloparsec dan ketebalan sekitar satu kiloparsec. Bima Sakti memiliki sekitar 200 miliar (2×10) bintang dengan massa total sekitar 600 miliar (6×10) kali massa Matahari.
Galaksi ganjil ("peculiar galaxy") merupakan galaksi yang memiliki sifat-sifat yang tidak biasa karena interaksi pasang surut dengan galaksi lain. Contohnya adalah galaksi cincin, yang memiliki struktur mirip cincin berisi bintang dan materi antarbintang yang mengelilingi inti kosong. Galaksi cincin diperkirakan terbentuk saat galaksi kecil melewati inti galaksi yang lebih besar. Kejadian tersebut mungkin pernah dialami galaksi Andromeda yang memiliki beberapa struktur mirip cincin jika diamati pada spektrum inframerah.
Galaksi lentikular merupakan bentuk pertengahan yang memiliki sifat baik dari galaksi eliptis maupun galaksi spiral, dan dikategorikan sebagai tipe "S0" dan memiliki lengan spiral yang samar-samar serta halo berisi bintang yang berbentuk eliptis. (Galaksi lentikular berbatang masuk dalam klasifikasi Hubble SB0).
Selain yang disebutkan dalam klasifikasi di atas, terdapat beberapa galaksi yang tidak dapat langsung digolongkan ke dalam bentuk eliptis atau spiral. Kelompok ini digolongkan sebagai galaksi iregular. Galaksi iregular tipe Irr-I memiliki semacam struktur, namun tidak jelas masuk dalam salah satu klasifikasi Hubble. Galaksi iregular tipe Irr-II tidak memiliki struktur apapun yang mirip klasifikasi Hubble, dan kemungkinan pernah terganggu oleh galaksi lain. Contoh terdekat galaksi (katai) iregular adalah Awan Magellan.
Meski galaksi eliptis dan spiral terlihat sangat menonjol, namun sepertinya sebagian besar galaksi di alam semesta merupakan galaksi katai. Galaksi katai tampak relatif kecil jika dibandingkan dengan galaksi lain, kira-kira hanya seperseratus dari ukuran Bima Sakti dan hanya berisi beberapa miliar bintang. Bahkan beberapa galaksi katai ultra-kompak baru-baru ini ditemukan yang hanya berukuran 100 parsec panjangnya.
Beberapa galaksi katai dapat mengitari sebuah galaksi tunggal yang lebih besar; Bima Sakti sendiri memiliki sedikitnya selusin satelit yang demikian, dengan perkiran 300–500 lagi belum ditemukan. Galaksi katai dapat juga diklasifikasikan lagi menjadi eliptis, spiral, atau tak beraturan. Karena galaksi katai eliptis kecil hanya memiliki sedikit kemiripan dengan galaksi eliptis besar, maka mereka lebih sering disebut galaksi sferoid katai.
Sebuah penelitian terhadap 27 galaksi tetangga Bima Sakti, menemukan bahwa setiap galaksi katai memiliki massa pusat kurang lebih 10 juta massa matahari terlepas dari apakah galaksi tersebut memiliki seribu atau sejuta bintang. Hal ini mendorong pada kesimpulan bahwa galaksi sebagian besarnya terdiri dari materi gelap, dan bahwa ukuran minimumnya mungkin menunjukkan keberadaan semacam materi gelap hangat, yang tak mampu melakukan peleburan gravitasi dalam skala kecil.
Jarak antar galaksi jika dibandingkan dengan ukurannya, tidaklah terlalu besar. Jarak rata-rata antar galaksi dalam sebuah gugus hanyalah beberapa puluh kali diameternya; bandingkan dengan jarak antar bintang dalam galaksi yang bisa mencapai ratusan ribu hingga jutaan kali ukurannya. Karena itu interaksi antar galaksi cukup sering terjadi dan memainkan peranan penting dalam evolusinya. Galaksi-galaksi yang berpapasan namun tidak benar-benar bersinggungan, akan menyebabkan terganggunya bentuk galaksi yang terlibat akibat tarik menarik gravitasinya, dan dapat menyebabkan pertukaran gas dan debu.
Tabrakan terjadi jika dua galaksi saling menembus tubuh masing-masing, namun masih memiliki momentum relatif yang cukup untuk tidak menyebabkan keduanya menyatu. Bintang-bintang dalam kedua galaksi ini biasanya bergerak lolos tanpa bertabrakan. Namun gas dan debu dari kedua galaksi akan berinteraksi. Hal ini dapat memicu lonjakan pembentukan bintang-bintang baru ketika medium antarbintang terganggu dan terpampatkan. Tabrakan dapat mengubah secara radikal bentuk salah satu atau kedua galaksi, dan menciptakan struktur-struktur baru seperti batang, cincin atau ekor galaksi.
Interaksi antar galaksi yang paling ekstrem adalah penggabungan galaksi. Dalam kasus ini, momentum relatif kedua galaksi tidak cukup untuk kedua galaksi dapat saling menembus. Yang terjadi malah, kedua galaksi tersebut perlahan bergabung membentuk galaksi tunggal yang lebih besar. Penggabungan dapat menyebabkan perubahan luar biasa terhadap bentuk galaksi jika dibandingkan dengan bentuk kedua galaksi asal. Namun, jika salah satu galaksi jauh lebih besar dari yang lainnya, penggabungan demikian disebut kanibalisme. Dalam kasus ini, galaksi yang lebih besar akan tetap relatif tak terganggu akibat penggabungan tersebut, sementara galaksi yang lebih kecil tercabik-cabik. Galaksi Bima Sakti saat ini sedang dalam proses penganibalan Galaksi Eliptis Katai Sagitarius dan Galaksi Katai Canis Major.
Bintang diciptakan dalam galaksi dari cadangan gas dingin yang berbentuk awan molekul raksasa. Galaksi-galaksi yang membentuk bintang dengan laju yang luar biasa dikenal sebagai galaksi starburst. Namun galaksi-galaksi yang demikian akan memakan habis cadangan gasnya dalam rentang waktu yang jauh lebih pendek dari umur galaksi itu sendiri. Karena itu, aktivitas pembentukan bintang biasanya hanya berlangsung selama sekitar 10 juta tahun; sebuah jangka waktu yang relatif pendek dalam sejarah hidup sebuah galaksi. Galaksi starburst lebih sering dijumpai dalam masa-masa awal alam semesta, dan saat ini masih menyumbang sebesar sekitar 15% dari total laju pembentukan bintang.
Galaksi starburst ditandai oleh adanya konsentrasi gas penuh debu dan kemunculan bintang-bintang yang baru dibentuk, termasuk bintang-bintang masif yang mengionisasi awan-awan molekul di sekitarnya dan membentuk wilayah-wilayah H II. Bintang-bintang masif ini menghasilkan ledakan supernova, yang mengakibatkan menyebarnya sisa-sisa supernova dan berinteraksi dengan kuat dengan gas-gas di sekitarnya. Hal ini memicu reaksi berantai pembentukan bintang yang menyebar ke seluruh wilayah galaksi yang berisi gas. Hanya ketika gas yang tersedia sudah hampir habis atau menyebar, maka aktivitas pembentukan bintang berhenti.
Galaksi starburst sering diasosiasikan dengan galaksi-galaksi yang sedang bergabung atau berinteraksi. Contoh dasar dari interaksi yang menghasilkan galaksi starburst adalah M82, yang tadinya berpapasan dengan galaksi M81 yang lebih besar. Galaksi tak beraturan sering kali memiliki titik-titik aktivitas pembentukan bintang yang tersebar.
Sebagian dari galaksi yang dapat kita amati tergolong aktif. Maksudnya, di dalam galaksi tersebut terdapat sebuah sumber tunggal selain bintang, debu atau medium antarbintang yang memancarkan energi dalam jumlah yang signifikan dari keseluruhan energi keluarannya.
Model standar inti aktif galaksi terdiri atas sebuah lubang hitam supermasif pada wilayah inti galaksi, dan piringan akresi yang mengelilingi lubang hitam tersebut. Radiasi dari inti aktif galaksi diakibatkan oleh energi gravitasi materi yang terjatuh dari piringan akresi ke dalam lubang hitam. Kira-kira 10% inti aktif galaksi menghasilkan sepasang semburan berenergi tinggi dengan arah yang berlawanan, yang melontarkan partikel-partikel dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Mekanisme penghasilan semburan ini masih belum dimengerti dengan baik.
Galaksi-galaksi aktif yang memancarkan radiasi tinggi energi dalam bentuk sinar x diklasifikasikan sebagai Galaksi Seyfert atau kuasar, tergantung kecemerlangannya. Dapat juga berupa Blazar yang dipercaya merupakan galaksi aktif yang salah satu semburan relativistis-nya mengarah ke bumi. Ada juga galaksi radio yang memancarkan frekuensi radio dari semburan relativistis.
Sebuah model terpadu dari jenis-jenis galaksi aktif ini menjelaskan bahwa perbedaan tiap jenis didasarkan pada sudut pandang pengamat.
Daerah garis-emisi inti rendah-ionisasi (LINER) kemungkinan ada hubungannya dengan inti aktif galaksi (dan juga daerah starburst). Emisi dari galaksi tipe LINER didominasi oleh unsur-unsur yang terionisasi dengan lemah. Sekitar sepertiga dari galaksi yang ada di sekitar kita tergolong memiliki inti LINER.
Studi tentang pembentukan dan evolusi galaksi berusaha untuk menjawab pertanyaan tentang bagaimana galaksi terbentuk dan jalur evolusi yang ditempuhnya sepanjang sejarah alam semesta. Beberapa teori di bidang ini telah dapat diterima secara luas, tetapi bidang ini masih merupakan bidang yang aktif berkembang dalam astrofisika.
Model kosmologi yang ada saat ini mengenai alam semesta awal didasarkan pada teori Dentuman Besar. Sekitar 300.000 tahun setelah peristiwa Dentuman Besar, atom-atom hidrogen dan helium mulai terbentuk, dalam sebuah peristiwa yang disebut rekombinasi. Hampir semua hidrogen adalah netral (tidak terionisasi) dan dengan mudah menyerap cahaya, serta belum ada bintang yang terbentuk. Akibatnya periode ini disebut "Zaman Kegelapan". Dari fluktuasi kepadatan (atau ketidakseragaman anisotropi) dalam materi purba inilah struktur-struktur yang lebih besar mulai muncul. Hasilnya, massa materi barionik mulai memadat dalam cincin cahaya materi gelap dingin. Struktur-struktur primordial inilah yang akhirnya menjadi galaksi yang kita lihat hari ini.
Bukti tentang kemunculan awal galaksi ditemukan pada tahun 2006, ketika diketahui bahwa galaksi IOK-1 memiliki geseran merah yang luar biasa tinggi sebesar 6,96, setara dengan jangka waktu hanya 750 juta tahun setelah Dentuman Besar. Hal ini menjadikannya sebagai galaksi terjauh dan paling purba yang pernah dilihat. Meskipun beberapa ilmuwan mengklaim objek lainlah (misalnya galaksi Abell 1835 IR1916) yang memiliki geseran merah lebih tinggi (dan karena itu sudah ada pada tahap yang lebih awal dalam evolusi alam semesta), namun usia dan komposisi IOK-1 ditentukan dengan cara yang lebih dapat diandalkan. Adanya protogalaksi yang seawal itu kemunculannya menunjukkan bahwa protogalaksi tersebut pastilah berkembang dalam apa yang disebut "Zaman Kegelapan". Namun, pada bulan Desember 2012 para astronom melaporkan bahwa galaksi UDFj-39546284 adalah galaksi terjauh yang diketahui dengan nilai geseran merah 11,9. Galaksi tersebut diperkirakan sudah ada sejak sekitar "380 juta tahun" setelah Dentuman Besar (setara dengan sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu), dan berjarak kira-kira 13,42 miliar tahun cahaya.
Bagaimana proses rinci terbentuknya galaksi seawal itu berlangsung masih merupakan sebuah pertanyaan pokok yang belum terjawab dalam astronomi. Teori yang ada dapat dibagi dalam dua kategori: dari atas ke bawah ("top down") atau dari bawah ke atas ("bottom-up"). Dalam teori "top-down" (seperti model Eggen-Lynden-Bell-Sandage [ELS]), protogalaksi terbentuk dalam sebuah runtuhan serentak berskala besar yang berlangsung selama kira-kira seratus juta tahun. Dalam teori "bottom-up" (seperti model Searle-Zinn [SZ]), struktur kecil seperti gugus bola terbentuk dahulu, lalu kemudian sejumlah struktur tersebut bergabung untuk membentuk galaksi yang lebih besar.
Begitu protogalaksi mulai terbentuk dan mengerut, bintang-bintang halo pertama pun (disebut bintang Populasi III) muncul di dalamnya. Bintang-bintang ini tersusun hampir seluruhnya oleh hidrogen dan helium dan kemungkinan berukuran masif. Jika memang benar demikian, maka bintang-bintang yang sangat besar ini akan menghabiskan pasokan bahan bakarnya dengan cepat dan menjadi supernova, melepaskan unsur-unsur berat ke medium antarbintang. Bintang-bintang generasi pertama ini mengionisasi ulang hidrogen netral sekitarnya, menciptakan gelembung ruang yang mengembang yang bisa dengan mudah dilalui cahaya.
Dalam masa satu miliar tahun pembentukan galaksi, struktur-struktur kunci mulai muncul: gugus-gugus bola, lubang hitam supermasif pusat, dan sebuah tonjolan galaksi yang terdiri dari bintang Populasi II yang miskin logam sudah terbentuk. Terciptanya sebuah lubang hitam supermasif tampaknya memainkan peranan penting dalam mengatur pertumbuhan galaksi secara aktif, dengan membatasi jumlah materi tambahan yang ditambahkan. Sepanjang epos awal ini, galaksi mengalami lonjakan besar pembentukan bintang.
Selama dua miliar tahun berikutnya, akumulasi materi mengendap menjadi piringan galaksi. Sepanjang hidupnya sebuah galaksi akan terus menyerap materi yang tertarik dari awan kecepatan tinggi dan galaksi katai. Materi tersebut kebanyakan adalah hidrogen dan helium. Siklus kelahiran dan kematian bintang perlahan-lahan meningkatkan kelimpahan unsur-unsur berat yang akhirnya memungkinkan pembentukan planet.
Evolusi galaksi dapat secara signifikan dipengaruhi oleh interaksi dan tabrakan. Penggabungan galaksi merupakan hal yang biasa terjadi selama epos awal, dan kebanyakan galaksi dalam masa ini memiliki bentuk yang aneh. Mengingat jarak antara bintang-bintang yang berjauhan, sebagian besar sistem bintang pada galaksi yang bertabrakan tidak akan terpengaruh. Namun, pelucutan gravitasional yang dialami gas dan debu antarbintang pada lengan spiral galaksi akan menghasilkan deretan panjang bintang-bintang yang dikenal sebagai ekor tidal. Contoh formasi ini dapat dilihat pada NGC 4676 atau Galaksi Antena.
Sebagai contoh untuk interaksi yang demikian adalah galaksi Bima Sakti dan galaksi Andromeda di dekatnya. Keduanya saling bergerak menuju satu sama lain dengan kecepatan kira-kira 130 km/s, dan tergantung pada pergerakan menyisinya, keduanya dapat bertabrakan dalam waktu sekitar lima sampai enam juta tahun. Meskipun Bima Sakti tidak pernah bertabrakan dengan galaksi sebesar Andromeda sebelumnya, bukti akan tabrakan Bima Sakti dengan galaksi katai yang lebih kecil pada masa lalu semakin banyak.
Interaksi skala besar semacam itu jarang terjadi. Seiring dengan berjalannya waktu, penggabungan dari dua sistem yang berukuran sama menjadi semakin jarang terjadi. Kebanyakan galaksi terang secara fundamental tetap tidak berubah selama beberapa miliar tahun terakhir, dan laju bersih pembentukan bintang mungkin mencapai puncaknya juga pada kira-kira sepuluh miliar tahun yang lalu.
Saat ini kebanyakan pembentukan bintang terjadi pada galaksi yang lebih kecil, di mana gas dingin belum begitu terkuras. Galaksi spiral seperti Bima Sakti, hanya memproduksi bintang-bintang generasi baru selama mereka masih memiliki awan molekul padat, berisi hidrogen antarbintang, di lengan spiralnya. Galaksi-galaksi eliptis hampir tidak memiliki gas ini lagi, sehingga tidak membentuk bintang baru lagi. Persediaan bahan pembentuk bintang di alam semesta terbatas. Begitu bintang-bintang selesai mengubah persediaan yang ada dari hidrogen menjadi unsur yang lebih berat, pembentukan bintang baru akan berakhir.
Era pembentukan bintang yang sedang berlangsung saat ini diperkirakan akan terus berlanjut sampai 100 miliar tahun ke depan. Kemudian "zaman bintang" akan berangsur-angsur memudar setelah sekitar 10–100 triliun tahun (10–10 tahun), saat bintang terkecil dan terlama hidup, katai merah kecil, mulai meredup. Pada akhir zaman bintang, galaksi hanya akan terdiri dari objek-objek kompak: katai coklat, katai putih yang sedang mendingin atau yang sudah dingin ("katai hitam"), bintang neutron, dan lubang hitam. Akhirnya, sebagai hasil dari relaksasi gravitasi, semua bintang akan terjatuh ke pusat lubang hitam supermasif atau dapat terlempar ke ruang antargalaksi sebagai akibat dari tabrakan.
Survei terhadap langit jauh menunjukkan bahwa galaksi sering kali ditemukan relatif berdekatan dengan galaksi lain. Galaksi terasing yang selama satu miliar tahun terakhir tidak berinteraksi secara signifikan dengan galaksi lain yang bermassa sebanding, relatif langka. Hanya sekitar 5% dari galaksi yang disurvei ditemukan benar-benar terpencil. Namun, formasi terpencil ini mungkin pernah berinteraksi atau bahkan bergabung dengan galaksi lain pada masa lalu, dan mungkin masih diedari oleh beberapa galaksi satelit yang lebih kecil. Galaksi terpencil bisa menghasilkan bintang dengan laju yang jauh di atas normal, karena gas dalam galaksi yang demikian tidak terlucuti oleh gravitasi galaksi lain.
Dalam skala terbesar, alam semesta ini terus mengembang, mengakibatkan jarak antara tiap galaksi rata-rata bertambah (lihat hukum Hubble). Hubungan antar galaksi dapat menghambat pengembangan ini dalam skala lokal melalui tarikan gravitasi timbal balik mereka. Hubungan ini terbentuk di awal alam semesta, saat gumpalan materi gelap tiap galaksi menarik galaksinya masing-masing untuk saling mendekat. Kelompok-kelompok galaksi yang berdekatan kemudian bergabung untuk membentuk gugus-gugus berskala lebih besar. Proses penggabungan yang berlangsung (serta aliran gas yang tertarik) memanaskan gas antar galaksi dalam gugus galaksi ke suhu yang sangat tinggi, mencapai 30–100 juta derajat celsius. Sekitar 70–80% massa sebuah gugus galaksi berada dalam bentuk materi gelap, sedang 10–30% terdiri dari gas panas ini dan beberapa persen sisanya dalam bentuk galaksi.
Kebanyakan galaksi di alam semesta terikat secara gravitasi ke sejumlah galaksi lain. Hal ini menciptakan sebuah hierarki yang berbentuk seperti fraktal dari struktur-struktur alam semesta, dengan gabungan terkecil dinamakan kelompok galaksi. Kelompok galaksi adalah jenis kumpulan galaksi yang paling umum, serta kelompok-kelompok tersebut mengandung sebagian besar galaksi (serta sebagian besar massa barionik) di Alam Semesta. Untuk tetap terikat secara gravitasi dalam kelompok yang seperti itu, masing-masing galaksi anggota harus memiliki kecepatan yang cukup rendah untuk mencegahnya terlepas (lihat teorema Virial). Namun, jika energi kinetik tidak mencukupi, sebuah kelompok galaksi dapat berubah menjadi kelompok dengan jumlah galaksi lebih sedikit dengan penggabungan galaksi.
Struktur yang lebih besar, berisi ribuan galaksi yang berkumpul dalam suatu daerah yang panjangnya beberapa megaparsec, disebut gugus galaksi. Gugus galaksi sering kali didominasi oleh sebuah galaksi eliptis berukuran raksasa, yang dapat dikenali sebagai galaksi paling terang dalam gugus tersebut. Galaksi ini dari waktu ke waktu dengan gaya pasang surut gravitasi akan menghancurkan galaksi-galaksi satelitnya dan menyerap mereka ke dalam dirinya sendiri.
Gugus raksasa ("supercluster") berisi puluhan ribu galaksi, yang dapat berupa gugus galaksi, kelompok galaksi atau kadang-kadang galaksi tersendiri. Dalam skala gugus raksasa, galaksi tersusun dalam lapisan-lapisan dan untaian-untaian yang mengelilingi sebuah kehampaan yang luas. Di atas skala ini, alam semesta tampak sama di semua arah (isotropis dan homogen).
Galaksi Bimasakti sendiri merupakan anggota kelompok galaksi yang disebut Kelompok Lokal ("Local Group"); sebuah kelompok galaksi yang relatif kecil dan memiliki diameter sekitar satu megaparsec. Galaksi Bima Sakti dan Andromeda adalah dua galaksi paling terang dalam kelompok ini; kebanyakan galaksi anggota lainnya merupakan galaksi katai satelit dari kedua galaksi. Kelompok Lokal sendiri merupakan bagian dari sebuah struktur seperti awan yang berada dalam gugus raksasa Virgo ("Virgo supercluster"), sebuah struktur luas berukuran besar dari kelompok-kelompok dan gugus-gugus galaksi yang terpusat pada gugus Virgo.
Setelah diketahui bahwa terdapat galaksi-galaksi di luar Bima Sakti, pengamatan-pengamatan awal yang dilakukan kebanyakan menggunakan cahaya kasat mata. Radiasi puncak kebanyakan bintang memang berada dalam spektrum ini, sehingga pengetahuan yang berhubungan dengan pengamatan terhadap bintang-bintang pembentuk galaksi merupakan bagian penting dari bidang astronomi optik. Spektrum ini juga cocok digunakan untuk mengamati wilayah-wilayah H II yang terionisasi, dan untuk memeriksa distribusi lengan debu galaksi.
Debu yang ada dalam medium antarbintang sulit ditembus oleh cahaya kasat mata, namun lebih transparan terhadap cahaya inframerah-jauh. Sebab itu cahaya inframerah-jauh dapat digunakan untuk mengamati dengan rinci daerah dalam awan molekul raksasa dan daerah inti galaksi. Inframerah juga digunakan untuk mengamati galaksi jauh yang mengalami geseran merah, yang terbentuk pada masa awal alam semesta. Uap air dan karbon dioksida menyerap sebagian dari spektrum inframerah yang dapat dimanfaatkan, sehingga teleskop yang terletak di dataran tinggi atau di ruang angkasa digunakan untuk astronomi inframerah.
Penelitian pertama terhadap galaksi dalam spektrum cahaya tak kasat mata, khususnya galaksi aktif, dilakukan menggunakan frekuensi radio. Atmosfer bumi hampir transparan terhadap gelombang antara 5 MHz sampai 30 GHz. (Ionosfer menghalangi sinyal di bawah rentang ini). Interferometer radio berukuran besar digunakan untuk memetakan semburan-semburan aktif yang dipancarkan dari inti galaksi aktif. Teleskop radio dapat juga digunakan untuk mengamati atom-atom hidrogen netral di luar angkasa (lewat radiasi gelombang 21 cm), kemungkinan termasuk materi tak terionisasi di alam semesta awal, yang kemudian runtuh membentuk galaksi.
Sinar ultraungu dan teleskop sinar x dapat digunakan untuk mengamati fenomena tinggi energi galaksi. Sebuah suar ultraungu teramati ketika sebuah bintang di galaksi yang jauh tercabik-cabik akibat gaya pasang surut gravitasi sebuah lubang hitam. Distribusi gas panas dalam gugus galaksi dapat dipetakan dengan menggunakan sinar x. Keberadaan lubang hitam supermasif pada inti galaksi juga dibuktikan dengan astronomi sinar x.
Pada abad ke-20, seiring dengan perkembangan ilmu astronomi dan pengetahuan bahwa alam semesta sebenarnya berisi jutaan galaksi, bidang fiksi ilmiah juga mengalami semacam perkembangan paralel. Penemuan-penemuan baru merangsang khayalan para penulis dan sutradara, yang kemudian menciptakan galaksi-galaksi fiktif tempat berlangsungnya berbagai cerita kepahlawanan, perang galaksi dan peradaban makhluk asing.
Galaksi fiktif yang paling terkenal adalah galaksi Star Wars. Galaksi Star Wars kira-kira berbentuk spiral, atau paling tidak berbentuk antara spiral dan eliptis; diisi oleh banyak peradaban dengan bahasanya masing-masing dan juga suatu bahasa pemersatu, Basic Galactic. Beberapa daerah dalam galaksi ini belum tereksplorasi, baik karena sulit dijangkau atau karena anomali magnetis yang kuat, sementara lengan luar galaksi dan daerah berjarak menengah dari inti galaksi sudah dikenal dengan baik dan berpenduduk.
Dalam film Stargate, sebuah galaksi yang terletak di daerah terpencil alam semesta, bernama Galaksi Kalium, memiliki sebuah planet yang dapat dicapai melalui sebuah alat spesial berbentuk seperti cincin raksasa, bernama "Stargate" (gerbang bintang). Di planet ini terdapat sebuah peradaban manusia yang mirip dengan Mesir kuno, dan memuja dewa yang merupakan seorang makhluk asing bernama Ra.
Dalam serial televisi Stargate setelah itu, ditemukan beberapa sistem koordinat lainnya untuk "Stargate", yang menuju ke dunia-dunia lain berjarak jauh. Dalam serial Stargate Atlantis, terdapat koordinat spesial kedelapan (bukannya tujuh seperti dalam serial sebelumnya) yang memungkinkan penggunanya mencapai sebuah galaksi jauh yang terletak di rasi bintang Pegasus. Di situ terdapat kota hilang Atlantis, sebuah kota besar berteknologi ultra tinggi yang ditinggalkan sebuah peradaban kuno yang disebut ""The Ancients"". Terdapat perbedaan dalam cerita latar belakang antara film dan serial televisinya. Dalam serial televisinya, Planet Ra "berada" dalam galaksi kita, dan untuk mendapat akses ke galaksi luar, kepada penonton dinyatakan bahwa stargate memiliki delapan simbol, bukannya tujuh.
Dalam permainan video Spore, menu utamanya berupa sebuah galaksi spiral dengan lima lengan, dan permainan yang tersimpan diindikasikan dengan lingkaran, yang mana bila lingkarannya berwarna kuning berarti tidak terdapat permainan yang tersimpan dan biru berisi permainan yang tersimpan. Lingkaran tersebut juga menunjukkan posisi bintang di dalam galaksi tersebut di mana terdapat planet awal yang bisa dipilih pemain.