ดาราจักร

ดาราจักร หรือ กาแล็กซี () เป็นกลุ่มของดาวฤกษ์นับล้านดวง กับสสารระหว่างดาวอันประกอบด้วยแก๊ส ฝุ่น และสสารมืด รวมอยู่ด้วยกันด้วยแรงโน้มถ่วง คำนี้มีที่มาจากภาษากรีกว่า "galaxias" [γαλαξίας] หมายถึง "น้ำนม" ซึ่งสื่อโดยตรงถึงดาราจักรทางช้างเผือก (Milky Way) ดาราจักรโดยทั่วไปมีขนาดน้อยใหญ่ต่างกัน นับแต่ดาราจักรแคระที่มีดาวฤกษ์ประมาณสิบล้านดวง ไปจนถึงดาราจักรขนาดยักษ์ที่มีดาวฤกษ์นับถึงล้านล้านดวง โคจรรอบศูนย์กลางมวลจุดเดียวกัน ในดาราจักรหนึ่ง ๆ ยังประกอบไปด้วยระบบดาวหลายดวง กระจุกดาวจำนวนมาก และเมฆระหว่างดาวหลายประเภท ดวงอาทิตย์ของเราเป็นหนึ่งในบรรดาดาวฤกษ์ในดาราจักรทางช้างเผือก เป็นศูนย์กลางของระบบสุริยะซึ่งมีโลกและวัตถุอื่น ๆ โคจรโดยรอบ

ในอดีตมีการแบ่งดาราจักรเป็นชนิดต่าง ๆ โดยจำแนกจากลักษณะที่มองเห็นด้วยตา รูปแบบที่พบโดยทั่วไปคือดาราจักรรี (elliptical galaxy) ซึ่งปรากฏให้เห็นเป็นรูปทรงรี ดาราจักรชนิดก้นหอย (spiral galaxy) เป็นดาราจักรรูปร่างแบนเหมือนจาน ภายในมีแขนฝุ่นเป็นวงโค้ง ดาราจักรที่มีรูปร่างไม่แน่นอนหรือแปลกประหลาดเรียกว่าดาราจักรแปลก (peculiar galaxy) ซึ่งมักเกิดจากการถูกรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วงของดาราจักรข้างเคียง อันตรกิริยาระหว่างดาราจักรในลักษณะนี้อาจส่งผลให้ดาราจักรมารวมตัวกัน และทำให้เกิดสภาวะที่ดาวฤกษ์มาจับกลุ่มกันมากขึ้นและกลายสภาพเป็นดาราจักรที่สร้างดาวฤกษ์ใหม่อย่างบ้าคลั่ง เรียกว่าดาราจักรชนิดดาวกระจาย (starburst galaxy) นอกจากนี้ดาราจักรขนาดเล็กที่ปราศจากโครงสร้างอันเชื่อมโยงกันก็มักถูกเรียกว่าดาราจักรไร้รูปแบบ (irregular galaxy)

เชื่อกันว่าในเอกภพที่สังเกตได้มีดาราจักรอยู่ประมาณหนึ่งแสนล้านแห่ง ดาราจักรส่วนใหญ่มีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 1,000 ถึง 100,000 พาร์เซก และแยกห่างจากกันและกันนับล้านพาร์เซก (หรือเมกะพาร์เซก) ช่องว่างระหว่างดาราจักรประกอบด้วยแก๊สเบาบางที่มีความหนาแน่นเฉลี่ยต่ำกว่า 1 อะตอมต่อลูกบาศก์เมตร ดาราจักรส่วนใหญ่จะจับกลุ่มเรียกว่ากระจุกดาราจักร (cluster) ในบางครั้งกลุ่มของดาราจักรนี้อาจมีขนาดใหญ่มาก เรียกว่ากลุ่มกระจุกดาราจักร (supercluster) โครงสร้างขนาดมหึมาขึ้นไปกว่านั้นเป็นกลุ่มดาราจักรที่โยงใยถึงกันเรียกว่า ใยเอกภพ (filament) ซึ่งกระจายอยู่ครอบคลุมเนื้อที่อันกว้างใหญ่ไพศาลของเอกภพ

แม้จะยังไม่เป็นที่เข้าใจนัก แต่ดูเหมือนว่าสสารมืดจะเป็นองค์ประกอบกว่า 90% ของมวลในดาราจักรส่วนใหญ่ ข้อมูลจากการสังเกตการณ์พบว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งอาจอยู่ที่บริเวณใจกลางของดาราจักรจำนวนมาก แม้จะไม่ใช่ทั้งหมด มีข้อเสนอว่ามันอาจเป็นสาเหตุเริ่มต้นของนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ (active galactic nucleus: AGN) ซึ่งพบที่บริเวณแกนกลางของดาราจักร ดาราจักรทางช้างเผือกเองก็มีหลุมดำเช่นว่านี้อยู่ที่นิวเคลียสด้วยอย่างน้อยหนึ่งหลุม

คำว่า "กาแล็กซี" มาจากคำศัพท์ในภาษากรีกที่ใช้เรียกดาราจักรของเรา คือ "galaxias" (γαλαξίας) หรือ "kyklos galaktikos" ซึ่งมีความหมายว่า "วงกลมน้ำนม" อันเนื่องมาจากลักษณะที่ปรากฏบนท้องฟ้า ในตำนานเทพปกรณัมกรีก เทพซุสมีบุตรคนหนึ่งกับสตรีชาวมนุษย์ คือ เฮราคลีส พระองค์วางบุตรผู้เป็นทารกบนทรวงอกของเทพีเฮราขณะที่นางหลับ เพื่อให้ทารกได้ดื่มน้ำนมของนางและจะได้เป็นอมตะ เมื่อเฮราตื่นขึ้นและพบว่าทารกแปลกหน้ากำลังดื่มนมจากอกนาง ก็ผลักทารกนั้นออกไป สายน้ำนมกระเซ็นออกไปบนฟากฟ้ายามราตรี เกิดเป็นแถบแสงจางๆ ซึ่งเป็นที่รู้จักกันว่า "ทางน้ำนม" (Milky Way; ไทยเรียก "ทางช้างเผือก")

ในบทความทางด้านดาราศาสตร์ คำว่า "galaxy" ที่ขึ้นต้นด้วยอักษรตัวใหญ่ ('Galaxy') จะใช้ในความหมายที่เฉพาะเจาะจงว่าหมายถึงดาราจักรทางช้างเผือกของเรา เพื่อให้แตกต่างจากดาราจักรอื่น

คำว่า "ทางน้ำนม" (Milky Way) ปรากฏครั้งแรกในวรรณกรรมภาษาอังกฤษ ในบทกวีของชอเซอร์ ดังนี้

เมื่อวิลเลียม เฮอร์เชล ได้จัดทำรายการวัตถุท้องฟ้า เขาเรียกวัตถุแบบดาราจักร เช่น ดาราจักร M31 ว่า "spiral nebula" ในเวลาต่อมาจึงพบว่าวัตถุนั้นเป็นการรวมกลุ่มอย่างหนาแน่นของดาวฤกษ์จำนวนมาก และได้ทราบระยะห่างอย่างแท้จริง มันจึงถูกเรียกว่า "island universes" อย่างไรก็ดี คำว่า "universe" เป็นที่เข้าใจกันว่าหมายถึงห้วงอวกาศโดยรวมทั้งหมด ดังนั้นคำนี้จึงไม่ได้ใช้เรียกขานอีก ภายหลังวัตถุจำพวกดาราจักรจึงถูกเรียกว่า "galaxy"

การค้นพบว่าเราอาศัยอยู่ในดาราจักร และความจริงที่ว่ามีดาราจักรอยู่เป็นจำนวนมากมาย เกิดขึ้นพร้อมๆ กันกับการพบข้อเท็จจริงของทางช้างเผือก และเนบิวลาต่างๆ ที่อยู่บนท้องฟ้า

นักปรัชญาชาวกรีกชื่อ ดีโมครีตัส (450-370 ปีก่อนคริสตกาล) เสนอว่าแถบสว่างบนฟากฟ้ายามราตรีที่รู้จักกันในชื่อ "ทางช้างเผือก" อาจจะประกอบด้วยดวงดาวที่อยู่ไกลออกไป นักดาราศาสตร์ชาวเปอร์เซียชื่อ อาบู รายาน อัล-บิรูนิ (Abū Rayhān al-Bīrūnī) (ค.ศ. 973-1048) ก็คิดว่าดาราจักรทางช้างเผือกเป็นที่รวมดาวฤกษ์มากมายเหมือนกลุ่มเมฆอันไม่อาจนับได้ การพิสูจน์ทฤษฎีนี้เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1610 เมื่อ กาลิเลโอ กาลิเลอี ศึกษาดาราจักรทางช้างเผือกผ่านกล้องโทรทรรศน์ และค้นพบว่ามันประกอบด้วยดาวจาง ๆ จำนวนมาก หนังสือเล่มหนึ่งในปี ค.ศ. 1755 อิมมานูเอล คานท์ วาดภาพดาราจักรจากผลงานก่อนหน้าของโทมัส ไรท์ โดยจินตนาการ (ได้ตรงเผง) ว่าดาราจักรน่าจะเป็นโครงสร้างหมุนวนที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์จำนวนมากซึ่งดึงดูดกันและกันไว้ด้วยแรงโน้มถ่วง คล้ายคลึงกับระบบสุริยะ แต่ในระดับที่ใหญ่กว่ามาก เรามองเห็นแผ่นจานของดาวฤกษ์เหล่านั้นเป็นแถบอยู่บนท้องฟ้าได้เนื่องจากมุมมองของเราที่อยู่ภายในจานนั่นเอง คานท์ยังคิดไปอีกว่า เนบิวลาสว่างบางแห่งที่ปรากฏบนฟ้ายามค่ำคืนอาจเป็นดาราจักรอื่นที่แยกจากเราก็ได้

ความพยายามครั้งแรกที่จะบรรยายรูปร่างของทางช้างเผือกและตำแหน่งของดวงอาทิตย์ในดาราจักรนั้นเริ่มต้นขึ้นในปี ค.ศ. 1785 เมื่อ วิลเลียม เฮอร์เชล เฝ้านับดวงดาวบนท้องฟ้าส่วนต่างๆ อย่างละเอียด เขาสร้างแผนภาพของดาราจักรขึ้นโดยสมมุติว่าระบบสุริยะอยู่ใกล้กับศูนย์กลาง จากจุดเริ่มต้นที่ละเอียดละออนี้ แคปทีย์น สามารถสร้างภาพวาดดาราจักรทรงรีขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางราว 15 กิโลพาร์เซก) โดยมีดวงอาทิตย์อยู่ใกล้ศูนย์กลางได้ในปี ค.ศ. 1920 ต่อมา ฮาร์โลว์ แชปลีย์ ใช้วิธีการที่แตกต่างออกไปโดยอ้างอิงจากการจัดทำบัญชีกระจุกดาวทรงกลม สร้างเป็นภาพที่แตกต่างไปอย่างสิ้นเชิง คือแผ่นจานแบนมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 70 กิโลพาร์เซก ส่วนดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางมาก การวิเคราะห์ทั้งสองรูปแบบนี้ไม่สามารถอธิบายการดูดกลืนแสงโดยฝุ่นระหว่างดาวซึ่งปรากฏในระนาบดาราจักรได้ แต่หลังจากที่โรเบิร์ต จูเลียส ทรัมเพลอร์ สามารถระบุปริมาณของปรากฏการณ์นี้ได้ในปี ค.ศ. 1930 โดยการศึกษากระจุกดาวเปิด ภาพปัจจุบันของดาราจักรทางช้างเผือกของเราก็เป็นรูปเป็นร่างขึ้น

ในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 18 ชาลส์ เมสสิเยร์ รวบรวมรายชื่อเนบิวลา (วัตถุท้องฟ้าที่สว่างและปรากฏรูปร่างเหมือนกลุ่มแก๊ส) ที่สว่างที่สุด 109 รายการ และต่อมาวิลเลียม เฮอร์เชล รวบรวมรายชื่อเนบิวลาได้ในปริมาณมากกว่าที่ 5,000 รายการ ปี ค.ศ. 1845 ลอร์ดรอสส์ ได้สร้างกล้องโทรทรรศน์ใหม่ทำให้สามารถแยกแยะเนบิวลาทรงกลมกับทรงรีออกจากกันได้ เขายังแยกแยะจุดแสงที่แยกจากกันในเนบิวลาเหล่านี้ได้อีกจำนวนหนึ่ง ทำให้เชื่อว่าการคาดคะเนของคานท์ก่อนหน้านี้น่าจะเป็นจริง

ปี ค.ศ. 1917 เฮเบอร์ เคอร์ติส สังเกตพบโนวา เอส แอนดรอเมดา ซึ่งอยู่ใน "เนบิวลาใหญ่แอนดรอเมดา" (วัตถุท้องฟ้าของเมสสิเยร์ หมายเลข M31) เมื่อตรวจสอบบันทึกภาพถ่าย เขาพบโนวาเพิ่มอีก 11 แห่ง เคอร์ติสสังเกตว่าโนวาเหล่านี้มีค่าความสว่างเฉลี่ยจางกว่ากลุ่มที่อยู่ในดาราจักรของเรา 10 อันดับ ผลที่ได้คือเขาสามารถประเมินระยะห่างของโนวาเหล่านั้นได้ว่าอยู่ไกล 150,000 พาร์เซก เขากลายเป็นผู้สนับสนุนสมมุติฐาน "island universes" ที่ระบุว่าเนบิวลารูปก้นหอย แท้จริงมันคือดาราจักรที่แยกเป็นอิสระ

ในปี ค.ศ. 1920 มีการถกเถียงทางวิชาการเรียกว่า "The Great Debate" ระหว่าง ฮาร์โลว์ แชปลีย์ กับ เฮเบอร์ เคอร์ติส เกี่ยวกับลักษณะทางธรรมชาติของทางช้างเผือก เนบิวลารูปก้นหอย และขนาดของเอกภพ เคอร์ติสชี้ให้เห็นถึงแถบสีดำในเนบิวลาเหล่านั้นซึ่งดูคล้ายกับฝุ่นมืดในทางช้างเผือก รวมไปถึงการเคลื่อนดอปเพลอร์ เพื่อสนับสนุนแนวคิดของเขาว่าเนบิวลาใหญ่แอนดรอเมดาแท้จริงคือดาราจักรหนึ่ง

ประเด็นนี้คลี่คลายลงได้ในช่วงต้นทศวรรษ 1920 เมื่อ เอ็ดวิน ฮับเบิล อาศัยกล้องโทรทรรศน์กล้องใหม่ของเขา สามารถแยกแยะองค์ประกอบด้านนอกของเนบิวลารูปก้นหอยจำนวนหนึ่งได้ว่ามันประกอบด้วยดาวฤกษ์เดี่ยว ๆ หลายดวง และระบุดาวแปรแสงชนิดเซเฟอิดได้อีกด้วย ทำให้เขาสามารถประเมินระยะห่างของเนบิวลาเหล่านั้นได้ว่ามันอยู่ห่างไกลจากโลกของเราเกินกว่าที่จะเป็นส่วนหนึ่งของทางช้างเผือก ปี ค.ศ. 1936 ฮับเบิลสร้างระบบการจัดกลุ่มดาราจักรซึ่งยังคงใช้มาจนถึงปัจจุบัน เรียกว่า "ลำดับของฮับเบิล" (Hubble Sequence)

ปี ค.ศ. 1944 เฮนดริค ฟาน เดอ ฮัลสต์ ทำนายเรื่องการแผ่รังสีของคลื่นไมโครเวฟที่ความยาวคลื่น 21 ซม. ว่าเป็นผลจากอะตอมของแก๊สไฮโดรเจนระหว่างดาว การสังเกตการณ์ดังกล่าวในปี ค.ศ. 1951 ได้ช่วยพัฒนาแนวทางการศึกษาเกี่ยวกับทางช้างเผือกมากขึ้น เพราะมันไม่ได้รับผลกระทบจากการดูดกลืนโดยฝุ่นในอวกาศ และการเคลื่อนดอปเพลอร์ของมันก็ช่วยให้สามารถสร้างแผนที่การเคลื่อนที่ของแก๊สในดาราจักรได้ การสังเกตการณ์นี้นำไปสู่สมมุติฐานว่ามีโครงสร้างรูปคานหมุนอยู่ที่กลางดาราจักร กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่พัฒนามากยิ่งขึ้น ทำให้สามารถตรวจสอบร่องรอยของแก๊สไฮโดรเจนในดาราจักรอื่นได้อีกด้วย

ช่วงทศวรรษ 1970 เวอรา รูบิน ศึกษาเรื่องความเร็วในการหมุนของแก๊สในดาราจักร เธอพบว่ามวลที่สังเกตได้ทั้งหมด (จากดาวฤกษ์และแก๊ส) ไม่สอดคล้องกันกับความเร็วในการหมุนของแก๊ส ปัญหานี้จะสามารถอธิบายได้ด้วยการมีอยู่ของสสารมืดที่มองไม่เห็นจำนวนมหาศาล

นับตั้งแต่ทศวรรษ 1990 กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้ช่วยให้การสังเกตการณ์พัฒนายิ่งขึ้น การค้นพบประการหนึ่งคือ สสารมืดที่หายไปในดาราจักรของเราไม่อาจเป็นเพียงดาวฤกษ์เล็ก ๆ ที่จางมากแต่เพียงอย่างเดียว การสังเกตการณ์อวกาศห้วงลึกของฮับเบิล (Hubble Deep Field: HDF) ซึ่งเป็นการถ่ายภาพโดยเปิดรับแสงเป็นเวลานานในพื้นที่ที่ดูว่างเปล่าบนท้องฟ้า ได้เผยให้เห็นว่ามีดาราจักรอื่นอีกราว 125,000 ล้านแห่งในเอกภพแห่งนี้ เทคโนโลยีที่ก้าวหน้าขึ้นในการตรวจจับภาพสเปกตรัมซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า (กล้องโทรทรรศน์วิทยุ กล้องอินฟราเรด และกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์) ช่วยให้เราสามารถตรวจพบดาราจักรอื่น ๆ ที่กล้องฮับเบิลตรวจไม่พบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสำรวจดาราจักรในเขตบดบัง (ส่วนที่ถูกบดบังโดยทางช้างเผือก) ทำให้มีการค้นพบดาราจักรใหม่ได้บ้าง

ดาราจักรแบ่งออกได้เป็นสามชนิดใหญ่ ๆ คือ แบบรี แบบก้นหอย และแบบไม่แน่นอน นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างในรายละเอียดตามลักษณะปรากฏ ดังที่พบได้ในลำดับของฮับเบิล ทั้งนี้ ลำดับของฮับเบิลได้แยกแยะประเภทของดาราจักรตามลักษณะภายนอกที่มองเห็น ดังนั้นจึงอาจมีลักษณะเฉพาะบางอย่างของดาราจักรที่ถูกละเลยไป เช่น อัตราการก่อกำเนิดของดาวฤกษ์ (ในดาราจักรชนิดดาวกระจาย) หรือกิจกรรมที่เกิดขึ้นที่แกนกลาง (ในดาราจักรกัมมันต์) เป็นต้น

ตามระบบการจำแนกของฮับเบิล ดาราจักรรีถูกแบ่งตามความรีของดาราจักร เริ่มตั้งแต่ E0 ซึ่งเป็นดาราจักรที่มีลักษณะเกือบกลม ไปจนถึง E7 ที่เรียวยาวมาก ดาราจักรเหล่านี้มีลักษณะพื้นฐานเป็นรูปทรงรี ทำให้เห็นมันมีรูปร่างเป็นทรงรีได้ไม่ว่าจะเปลี่ยนมุมมองไปในทางใด ลักษณะที่ปรากฏแสดงให้เห็นว่ามีโครงสร้างเพียงเล็กน้อย และไม่ค่อยมีสสารระหว่างดาว ทำให้ดาราจักรเหล่านี้มีกระจุกดาวเปิดค่อนข้างน้อย อัตราการเกิดดาวฤกษ์ใหม่ก็ต่ำด้วย ดาราจักรชนิดนี้มักมีดาวฤกษ์ที่อายุมากเป็นสมาชิก พบดาววิวัฒน์ได้รอบศูนย์กลางดาราจักรในทุกทิศทาง ในแง่นี้มันจึงคล้ายคลึงกับกระจุกดาวทรงกลมซึ่งเล็กกว่ามาก

ดาราจักรที่ใหญ่ที่สุดเป็นดาราจักรรี เชื่อกันว่าดาราจักรรีหลายแห่งก่อตัวขึ้นจากอันตรกิริยาระหว่างดาราจักร ส่งผลทำให้เกิดการชนกันแล้วรวมตัวเข้าด้วยกัน มันอาจขยายตัวขึ้นจนมีขนาดมหึมา (เมื่อเทียบกับดาราจักรชนิดก้นหอย) และดาราจักรรีขนาดยักษ์มักพบอยู่ใกล้กับแกนกลางของกระจุกดาราจักรขนาดใหญ่ ดาราจักรชนิดดาวกระจายเป็นผลพวงจากการชนกันของดาราจักรซึ่งสามารถก่อให้เกิดดาราจักรรีได้

ดาราจักรชนิดก้นหอยประกอบด้วยแถบจานหมุนของดาวฤกษ์และสสารระหว่างดาว มีดุมโป่งนูนบริเวณกึ่งกลางซึ่งประกอบด้วยดาวฤกษ์เก่าแก่ ถัดจากดุมตรงกลางเป็นแขนสว่างทอดออกไปสู่ด้านนนอก ตามระบบการจำแนกดาราจักรของฮับเบิล ดาราจักรชนิดก้นหอยอยู่ในประเภท "S" ตามด้วยอักษร ("a", "b" หรือ "c") ซึ่งใช้บอกระดับความแน่นของแขนดาราจักรและขนาดของดุมที่ศูนย์กลาง ดาราจักรแบบ "Sa" จะมีแขนที่บีบแน่น ไม่ค่อยเห็นเป็นแขนชัดเจนนัก และมีดุมค่อนข้างใหญ่ ในทางตรงข้าม ดาราจักรแบบ "Sc" จะมีแขนที่กว้าง เห็นเป็นแขนชัดเจน และมีดุมที่ค่อนข้างเล็ก

แขนของดาราจักรชนิดก้นหอยมีลักษณะคล้ายคลึงกับก้นหอยลอการิทึม ซึ่งเป็นรูปแบบที่สามารถแสดงให้เห็นในทางทฤษฎีว่าเกิดจากความปั่นป่วนภายในดาวฤกษ์ต่าง ๆ ที่หมุนวนไปในทางเดียวกัน แขนเคลื่อนที่ไปรอบศูนย์กลางเช่นเดียวกับดาวฤกษ์ แต่มันเคลื่อนไปด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่ หมายความว่าบรรดาดาวฤกษ์ทั้งหลายจะเคลื่อนเข้าและออกจากแขน โดยที่ดาวฤกษ์ใกล้แกนดาราจักรโคจรเร็วกว่าแขน ส่วนดาวฤกษ์รอบนอกจะโคจรช้ากว่าแขน เชื่อกันว่าแขนก้นหอยเป็นส่วนที่มีความหนาแน่นของสสารสูง หรือเป็น "คลื่นความหนาแน่น" เมื่อดาวฤกษ์เคลื่อนผ่านแขน ความเร็วของระบบดาวแต่ละระบบจะเปลี่ยนแปลงไปตามแรงโน้มถ่วงของส่วนที่มีความหนาแน่นสูงกว่า (ความเร็วจะกลับคืนเป็นปกติหลังจากดาวฤกษ์เคลื่อนออกไปยังอีกด้านหนึ่งของแขน) ปรากฏการณ์นี้คล้ายคลึงกับ "คลื่น" ในการเคลื่อนที่ของรถยนต์บนถนนที่ติดขัด เราสามารถมองเห็นแขนดาราจักรได้เนื่องจากความหนาแน่นของสสารสนับสนุนให้เกิดก่อตัวของดาวฤกษ์ ดังนั้นภายในแขนจึงมีดาวฤกษ์ที่สว่างและอายุน้อยเป็นจำนวนมาก

ดาราจักรชนิดก้นหอยส่วนใหญ่มักมีแถบของดาวฤกษ์ ลักษณะเหมือนคาน ขยายออกไปจากแกนกลางทั้งสองด้าน คานดังกล่าวไปบรรจบกับโครงสร้างแขนก้นหอยของดาราจักร ตามการจำแนกฮับเบิล ดาราจักรแบบนี้จัดเป็นประเภท "SB" ตามด้วยตัวอักษรเล็ก ("a", "b" หรือ "c") ซึ่งใช้ระบุรูปแบบของแขนก้นหอย (ทำนองเดียวกับการจำแนกประเภทในดาราจักรชนิดก้นหอยทั่วไป) เชื่อว่าคานของดาราจักรเป็นเพียงโครงสร้างชั่วคราวซึ่งอาจเกิดจากคลื่นความหนาแน่นที่แผ่ออกมาจากแกนกลาง หรืออาจเกิดจากอันตรกิริยากับดาราจักรอื่น ดาราจักรชนิดก้นหอยมีคานส่วนมากมีพลัง อันอาจเป็นผลจากการที่แก๊สไหลผ่านแขนก้นหอยเข้าไปสู่แกนกลางของดาราจักร

ดาราจักรของเราเป็นดาราจักรขนาดใหญ่ จัดอยู่ในชนิดก้นหอยมีคาน มีเส้นผ่านศูนย์กลางราว 30 กิโลพาร์เซก และหนาประมาณ 1 กิโลพาร์เซก มีดาวฤกษ์อยู่ประมาณ 200,000 ล้านดวง และมีมวลรวมประมาณ 600,000 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

ดาราจักรแปลก (peculiar galaxy) คือการก่อตัวของดาราจักรที่มีลักษณะผิดปกติอันเนื่องมาจากอันตรกิริยากับดาราจักรอื่น ตัวอย่างเช่น ดาราจักรชนิดวงแหวน ซึ่งมีโครงสร้างของดาวฤกษ์และสสารระหว่างดาวเรียงกันเป็นรูปคล้ายวงแหวนอยู่รอบแกนกลาง เชื่อว่าดาราจักรชนิดวงแหวนเกิดขึ้นจากการที่ดาราจักรขนาดเล็กเคลื่อนที่ผ่านแกนกลางของดาราจักรชนิดก้นหอย เหตุการณ์นี้อาจเกิดขึ้นกับดาราจักรแอนดรอเมดาก็ได้ เพราะเมื่อสำรวจในย่านอินฟราเรด พบว่ามีโครงสร้างคล้ายวงแหวนหลายชั้นอยู่รอบดาราจักร

ดาราจักรชนิดลูกสะบ้า (lenticular galaxy) เป็นดาราจักรที่มีรูปร่างกึ่ง ๆ ระหว่างดาราจักรรีกับชนิดก้นหอย ในการจำแนกฮับเบิล ดาราจักรชนิดลูกสะบ้าถูกจัดให้อยู่ในประเภท "S0" มีแขนก้นหอยจาง ๆ ที่ไม่ชัดเจน และมีดาวฤกษ์รวมตัวกันเป็นทรงรีด้วย (ดาราจักรชนิดลูกสะบ้ามีคาน จัดเป็นดาราจักรประเภท "SB0")

นอกเหนือจากการจำแนกประเภทของดาราจักรตามที่บรรยายไว้ข้างต้นแล้ว ยังมีดาราจักรอีกจำนวนหนึ่งที่ไม่สามารถจำแนกได้ว่ามีสัณฐานรีหรือเป็นชนิดก้นหอย จึงจำแนกดาราจักรเหล่านี้เป็น "ดาราจักรไร้รูปแบบ" ดาราจักรประเภท Irr-I มีโครงสร้างให้เห็นบ้าง แต่ยังไม่ชัดเจนพอที่จะจำแนกได้ตามระบบของฮับเบิล ส่วนดาราจักรประเภท Irr-II นั้นไม่ปรากฏโครงสร้างใด ๆ เลยเมื่อเทียบกับการจำแนกฮับเบิล และเป็นดาราจักรที่กำลังถูกรบกวนหรือถูกทำลายด้วยแรงโน้มถ่วง ตัวอย่างของดาราจักร (แคระ) ชนิดไร้รูปแบบที่อยู่ใกล้เรา ได้แก่ เมฆแมเจลแลน

แม้ดาราจักรที่โดดเด่นสะดุดตาและเป็นที่รู้จักคือดาราจักรรีและดาราจักรชนิดก้นหอย แต่ดาราจักรส่วนมากในเอกภพเป็นดาราจักรแคระ ดาราจักรขนาดเล็กเหล่านี้มีขนาดเพียงราวหนึ่งในร้อยส่วนของทางช้างเผือกเท่านั้น ดาราจักรแคระประกอบด้วยดาวฤกษ์เพียงไม่กี่พันล้านดวง ยังมีดาราจักรขนาดจิ๋วอีกหลายแห่งที่เพิ่งค้นพบเมื่อเร็ว ๆ นี้ โดยมีขนาดราว 100 พาร์เซกเท่านั้น

ดาราจักรแคระหลายดาราจักรอาจโคจรรอบดาราจักรอื่นที่มีขนาดใหญ่กว่า ดาราจักรทางช้างเผือกเองมีดาราจักรขนาดเล็กโคจรอยู่รอบ ๆ อย่างน้อยหนึ่งโหล จากจำนวนทั้งหมดที่คาดว่ามีอยู่ราว 300-500 ดาราจักรซึ่งยังค้นไม่พบ ดาราจักรแคระอาจได้รับการจำแนกเป็นดาราจักรรี ก้นหอย หรือไร้รูปแบบก็ได้ แต่ดาราจักรแคระทรงรีมักดูไม่ค่อยเหมือนดาราจักรรีขนาดใหญ่ มันจึงมักถูกเรียกว่าดาราจักรแคระคล้ายทรงกลม (dwarf spheroidal galaxies)

ดาราจักรต่าง ๆ ภายในกระจุกดาราจักร โดยเฉลี่ยอยู่ห่างกันเกินกว่าหนึ่งอันดับของขนาด (order of magnitude) เพียงเล็กน้อย เมื่อวัดจากเส้นผ่านศูนย์กลางของมัน ด้วยเหตุนี้จึงเกิดอันตรกิริยาระหว่างดาราจักรเหล่านี้อยู่เนือง ๆ และมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อวิวัฒนาการของดาราจักร ดาราจักรที่อยู่ใกล้กันมากจะมีอันตรกิริยาระหว่างกันจนทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของรูปร่างอันเนื่องมาจากแรงน้ำขึ้นลง (tide) และอาจมีการแลกเปลี่ยนแก๊สกับฝุ่นระหว่างกันด้วย

การชนกันระหว่างดาราจักรเกิดขึ้นเมื่อดาราจักรสองดาราจักรเคลื่อนตัดผ่านกันและกัน และมีโมเมนตัมสัมพัทธ์มากพอที่มันจะไม่รวมตัวเข้าด้วยกัน โดยทั่วไป ดาวฤกษ์ในดาราจักรที่กำลังชนกันจะเคลื่อนผ่านทะลุไปได้โดยไม่เกิดการชนกับดาวดวงอื่น อย่างไรก็ดี แก๊สและฝุ่นในดาราจักรทั้งสองจะมีอันตรกิริยาต่อกัน สสารระหว่างดาวจะถูกรบกวนและบีบอัด ทำให้เกิดการก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ดวงใหม่ในจำนวนมหาศาล การชนกันระหว่างดาราจักรทำให้รูปร่างของดาราจักรใดดาราจักรหนึ่งหรือทั้งสองบิดเบี้ยว และอาจทำให้เกิดโครงสร้างรูปคาน วงแหวน หรือคล้ายหางก็ได้

กรณีสุดโต่งของอันตรกิริยาระหว่างดาราจักรคือการรวมตัวเข้าด้วยกัน ในกรณีนี้ โมเมนตัมสัมพัทธ์ของดาราจักรทั้งสองมีไม่มากพอที่จะเคลื่อนผ่านกันไปได้ มันจะค่อย ๆ รวมตัวเข้าด้วยกันกลายเป็นดาราจักรใหม่ที่มีขนาดใหญ่กว่าเดิม การรวมตัวกันสามารถทำให้สัณฐานของดาราจักรใหม่แตกต่างไปจากเดิม หากดาราจักรหนึ่งมีมวลมากกว่า จะเกิดผลลัพธ์ที่เรียกว่าการกลืน (cannibalism) ดาราจักรที่ใหญ่กว่าแทบไม่ได้รับผลกระทบใด ๆ ส่วนดาราจักรที่เล็กกว่าจะแตกเป็นเสี่ยง ๆ ดาราจักรทางช้างเผือกกำลังอยู่ในกระบวนการนี้เช่นกัน โดยที่มันกำลังกลืนดาราจักรรีแคระคนยิงธนูกับดาราจักรแคระหมาใหญ่

ดาวฤกษ์ก่อกำเนิดขึ้นในดาราจักรได้โดยการจับกลุ่มกันของแก๊สเย็นที่รวมตัวเป็นเมฆโมเลกุลขนาดยักษ์ บางดาราจักรมีการก่อเกิดดาวฤกษ์ใหม่ในอัตราสูงมากที่เรียกว่า "ดาวกระจาย (starburst)" หากมันยังคงสภาพเช่นนั้น มันจะใช้แก๊สที่มีอยู่หมดไปภายในเวลาน้อยกว่าช่วงชีวิตของดาราจักร ดังนั้นช่วงที่เกิดดาวกระจายจึงมักใช้เวลานานเพียงประมาณสิบล้านปี ซึ่งนับว่าสั้นมากเมื่อเทียบกับอายุของดาราจักร ดาราจักรชนิดดาวกระจายสามารถพบได้เป็นปกติในยุคแรก ๆ ของเอกภพ ปัจจุบันยังคงมีสภาวะดังกล่าวอยู่ คิดเป็นสัดส่วนราว 15% ของอัตราการผลิตดาวทั้งหมด

ดาราจักรชนิดดาวกระจายประกอบไปด้วยฝุ่นแก๊สที่รวมกันอยู่หนาแน่น เกิดดาวฤกษ์ใหม่จำนวนมาก รวมไปถึงดาวฤกษ์มวลสูงที่ทำให้เมฆหมอกของแก๊สที่อยู่โดยรอบแตกตัวเป็นไอออนจนก่อตัวเป็นบริเวณเอช 2 (H II region) ดาวฤกษ์มวลสูงเหล่านี้ยังอาจระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา ทำให้เกิดซากซูเปอร์โนวาที่แผ่ขยายออกไปจนทำอันตรกิริยาต่อแก๊สรอบ ๆ การก่อเกิดดาวเช่นนี้จุดชนวนทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ มีการก่อกำเนิดดาวใหม่จำนวนมากทั่วไปหมดทั้งกลุ่มแก๊ส เมื่อแก๊สถูกนำไปใช้หรือกระจายออกไปจนเกือบหมด การก่อเกิดดาวจึงยุติลง

ปรากฏการณ์ดาวกระจายมักเกี่ยวข้องกับการรวมตัวกันหรืออันตรกิริยาระหว่างดาราจักร M82 เป็นตัวอย่างต้นแบบของปรากฏการณ์นี้ ซึ่งมันได้เคลื่อนเข้าใกล้ดาราจักร M81 ที่มีขนาดใหญ่กว่า เรามักพบบริเวณที่มีการก่อเกิดดาวใหม่ในดาราจักรไร้รูปแบบอีกด้วย

ดาราจักรจำนวนหนึ่งที่สังเกตพบ ได้รับการจำแนกเป็นดาราจักรกัมมันต์ กล่าวคือ ส่วนใหญ่ของพลังงานที่ปล่อยออกมาทั้งหมด มีกำเนิดมาจากแหล่งพลังงานอื่นนอกเหนือจากดาวฤกษ์ ฝุ่น และสสารระหว่างดาว

รูปแบบมาตรฐานของนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์คือการมีจานพอกพูนมวลรอบหลุมดำมวลยวดยิ่ง (supermassive black hole : SMBH) ที่แกนกลางของดาราจักร การแผ่รังสีจากนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์เป็นผลจากพลังงานโน้มถ่วงของสสารในจานขณะตกลงไปในหลุมดำ ประมาณ 10% ของวัตถุเหล่านี้ มีลำพลังงานสองลำซึ่งปลดปล่อยอนุภาคออกจากแกนกลางในทิศทางตรงข้ามกันด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง กลไกที่ทำให้เกิดลำพลังงานนี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก

ดาราจักรกัมมันต์ที่แผ่รังสีพลังงานสูงในรูปของรังสีเอกซ์ ได้รับการจำแนกเป็นดาราจักรซีย์เฟิร์ต (Seyfert galaxy) หรือเควซาร์ (quasar) ขึ้นอยู่กับสภาพส่องสว่าง ส่วนเบลซาร์ (blazar) เชื่อว่าเป็นดาราจักรกัมมันต์ที่มีลำพลังงานชี้มายังโลก ดาราจักรวิทยุจะแผ่คลื่นวิทยุออกมาพร้อมกับลำพลังงาน แบบจำลองหนึ่งเดียวของดาราจักรกัมมันต์เหล่านี้แสดงถึงความแตกต่างอันเนื่องมาจากมุมมองของผู้สังเกตการณ์

สิ่งที่อาจเกี่ยวข้องกับนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ (รวมไปถึงดาวกระจาย) คือ ไลเนอร์ (low-ionization nuclear emission-line regions : LINERs) แสงที่เปล่งออกมาจากดาราจักรประเภทนี้ ส่วนใหญ่เป็นธาตุที่แตกตัวเป็นไอออนในระดับต่ำ ประมาณหนึ่งในสามของดาราจักรที่อยู่ใกล้เรามีไลเนอร์ในนิวเคลียส

การศึกษาเรื่องกำเนิดและวิวัฒนาการของดาราจักรเป็นไปเพื่อพยายามตอบคำถามว่าดาราจักรเกิดขึ้นได้อย่างไร และมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรบ้างตลอดช่วงประวัติศาสตร์ของเอกภพ บางทฤษฎีเป็นที่ยอมรับกันแพร่หลายแล้ว แต่ก็ยังมีความเคลื่อนไหวใหม่ ๆ เกิดขึ้นเสมอในแวดวงฟิสิกส์ดาราศาสตร์

แบบจำลองด้านจักรวาลวิทยาในปัจจุบันที่ใช้อธิบายเอกภพในยุคเริ่มต้นตั้งอยู่บนพื้นฐานของทฤษฎีบิกแบง เชื่อว่าประมาณ 300,000 ปีหลังจากเหตุการณ์นั้น อะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียมได้เริ่มก่อตัว เป็นเหตุการณ์ที่เรียกว่า recombination ไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดมีสภาวะเป็นกลาง (ไม่มีประจุ) และดูดซับแสงไว้ ยังไม่มีดาวฤกษ์ใด ๆ ก่อตัวขึ้น ผลจากเหตุการณ์นั้นเกิดเป็นยุคที่เรียกว่า "ยุคมืด" (Dark Ages) ผลจากการผันผวนของความหนาแน่น (หรือความไม่แน่นอนทางแอนไอโซทรอปี) ภายในสสารยุคเริ่มต้นทำให้เกิดโครงสร้างขนาดใหญ่ขึ้นในเอกภพ มวลของสสารแบริออนเริ่มควบแน่นภายในสสารมืดที่มีอุณหภูมิต่ำ การรวมตัวของโครงสร้างในยุคเริ่มต้นนี้น่าจะทำให้เกิดเป็นดาราจักรดังที่เราเห็นในปัจจุบัน

หลักฐานที่แสดงถึงดาราจักรยุคแรก ๆ ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 2006 เมื่อมีการค้นพบ IOK-1 ว่ามีค่าการเลื่อนไปทางแดงสูงอย่างผิดปกติถึง 6.96 สอดคล้องกับช่วงเวลา 750 ล้านปีหลังบิกแบง ทำให้มันเป็นดาราจักรที่ไกลที่สุดและอายุน้อยที่สุดเท่าที่เคยพบมา นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งยังอ้างถึงวัตถุอื่น (เช่น Abell 1835 IR1916) ว่ามีการเลื่อนไปทางแดงสูงกว่า (จึงย้อนไปในอดีตของเอกภพได้ไกลกว่า) แต่อายุและองค์ประกอบของ IOK-1 ก็เป็นที่น่าเชื่อถือมากกว่า การมีอยู่ของดาราจักรก่อนเกิด (protogalaxy) ชี้ให้เห็นว่ามันจะต้องเกิดขึ้นใน "ยุคมืด" ของเอกภพ

รายละเอียดของกระบวนการในช่วงการก่อเกิดดาราจักรในยุคแรกของเอกภพ นับเป็นหัวข้อถกเถียงหลักในแวดวงดาราศาสตร์ ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่มใหญ่ ๆ คือ กลุ่มจากบนลงล่างและกลุ่มจากล่างขึ้นบน ทฤษฎีของกลุ่มจากบนลงล่าง (เช่น แบบจำลองเอกเกน-ลินเดน-เบลล์-แซนเดจ (Eggen–Lynden-Bell–Sandage : ELS)) เสนอว่าดาราจักรก่อนเกิดก่อตัวด้วยกระบวนการยุบตัวในระดับที่ใหญ่มากพร้อม ๆ กัน โดยใช้เวลายาวนานราวหนึ่งร้อยล้านปี ส่วนทฤษฎีของกลุ่มจากล่างขึ้นบน (เช่นแบบจำลองแซล-ซินน์ (Searle-Zinn : SZ) เสนอว่า มีการก่อตัวของโครงสร้างขนาดเล็ก เช่น กระจุกดาวทรงกลม ขึ้นก่อน จากนั้นโครงสร้างเล็ก ๆ เหล่านี้จึงพอกพูนกันกลายเป็นดาราจักรขนาดใหญ่ขึ้น ทฤษฎีสมัยใหม่จะต้องพยายามอธิบายถึงการมีอยู่ของสสารมืดซึ่งค่อนข้างแน่ชัดว่ามีอยู่จริง

ทันทีที่ดาราจักรก่อนเกิดเริ่มก่อตัวขึ้นและหดตัวลง ดาวกลุ่มแรก (เรียกว่า ดารากร 3) ก็เริ่มเกิดขึ้นภายใน ดาวฤกษ์เหล่านี้มีองค์ประกอบเป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด และอาจมีมวลสูงมาก ดังนั้นจึงเผาผลาญเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วและกลายเป็นซูเปอร์โนวา ปลดปล่อยธาตุหนักออกไปสู่สสารระหว่างดาว ดาวฤกษ์รุ่นแรกสุดนี้ทำให้เกิดประจุขึ้นอีกครั้งกับไฮโดรเจนที่เป็นกลางซึ่งอยู่ในบริเวณโดยรอบ และทำให้ฟองของอวกาศขยายตัวขึ้นขณะที่แสงก็สามารถออกเดินทางได้แล้ว

ในเวลาหนึ่งพันล้านปีของการก่อตัวของดาราจักร โครงสร้างหลัก ได้แก่ กระจุกดาวทรงกลม หลุมดำมวลยวดยิ่งที่ศูนย์กลาง และดุมดาราจักรอันประกอบด้วยดารากร 3 ซึ่งมีโลหะอยู่น้อยก็เริ่มปรากฏขึ้น การกำเนิดของหลุมดำมวลยวดยิ่งดูเหมือนจะมีบทบาทสำคัญมากต่อวิธีการเติบโตของดาราจักร มันจำกัดปริมาณสสารโดยรวมที่เพิ่มเข้าไปในดาราจักร ในยุคแรกนี้ ดาราจักรทั้งหลายต่างผ่านกระบวนการดาวกระจายซึ่งเป็นการก่อตัวของดาวฤกษ์ครั้งใหญ่

สองพันล้านปีต่อมา สสารต่าง ๆ ก็เริ่มกลายเป็นจานดาราจักร ดาราจักรจะยังดึงดูดสสารต่าง ๆ จากเมฆที่เคลื่อนด้วยความเร็วสูงและดาราจักรแคระเข้าสู่ตัวมันอยู่ตลอดอายุขัย สสารเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียม วงจรการเกิดและแตกดับของดาวฤกษ์ค่อย ๆ เพิ่มปริมาณธาตุหนักขึ้นอย่างช้า ๆ ซึ่งต่อมาก่อให้เกิดดาวเคราะห์ในท้ายที่สุด

อันตรกิริยาและการชนกันระหว่างดาราจักร สามารถส่งผลต่อวิวัฒนาการของดาราจักรได้อย่างมาก การรวมตัวกันของดาราจักรพบได้เป็นปกติในยุคแรกของเอกภพ และดาราจักรส่วนใหญ่ก็ล้วนแต่มีสัณฐานที่แปลกประหลาดพิสดาร ด้วยระยะห่างระหว่างดาวซึ่งไกลมาก ทำให้ดาวส่วนมากไม่ได้รับผลกระทบจากการชนกันของดาราจักร อย่างไรก็ตาม ผลจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อแก๊สและฝุ่นระหว่างดาวอันเป็นส่วนประกอบแขนก้นหอยของดาราจักร ก็ทำให้เกิดขบวนดาวฤกษ์จำนวนมากเรียกว่า "tidal tails" ตัวอย่างของการก่อตัวในลักษณะนี้พบได้ใน NGC 4676 หรือดาราจักรหนวดแมลง

ดาราจักรทางช้างเผือกกับดาราจักรแอนดรอเมดาที่อยู่ใกล้เคียง กำลังเคลื่อนที่เข้าหากันด้วยอัตราเร็วประมาณ 130 กิโลเมตรต่อวินาที และอาจชนกันภายในเวลา 5-6 พันล้านปีข้างหน้า แม้ว่าดาราจักรทางช้างเผือกยังไม่เคยรวมตัวเข้ากับดาราจักรขนาดใหญ่เช่นแอนดรอเมดามาก่อน แต่ก็พบหลักฐานเพิ่มมากขึ้นว่าทางช้างเผือกเคยชนกับบรรดาดาราจักรแคระที่มีขนาดเล็กกว่า

อันตรกิริยาระหว่างวัตถุอวกาศขนาดใหญ่ไม่เกิดขึ้นบ่อยนัก ยิ่งเวลาผ่านไป การรวมกันของระบบดาวที่มีขนาดพอ ๆ กันยิ่งพบเห็นได้ยากขึ้น ดาราจักรสว่างส่วนมากยังคงสภาพเดิมโดยไม่เปลี่ยนแปลงนานหลายพันล้านปีมาแล้ว และอัตราการเกิดดาวฤกษ์ก็อาจผ่านจุดสูงสุดไปแล้วเมื่อราวหนึ่งหมื่นล้านปีก่อน

ปัจจุบันยังคงมีการก่อเกิดดาวฤกษ์ใหม่ในดาราจักรขนาดเล็กที่แก๊สเย็นยังไม่สลายไปจนหมด ดาราจักรชนิดก้นหอยเช่นทางช้างเผือก สามารถสร้างดาวฤกษ์ใหม่นานตราบเท่าที่มันยังมีเมฆโมเลกุลหนาแน่นของไฮโดรเจนระหว่างดาวอยู่ภายในแขนก้นหอย ดาราจักรรีไม่มีแก๊สเหล่านั้นจึงไม่สามารถสร้างดาวฤกษ์ใหม่ ๆ ได้อีก แหล่งกำเนิดสสารที่จำเป็นต่อการกำเนิดดาวฤกษ์นั้นมีจำกัด เมื่อดาวฤกษ์ได้แปลงไฮโดรเจนเหล่านั้นไปเป็นธาตุหนักแล้ว การกำเนิดดาวใหม่ก็เป็นอันสิ้นสุด

ยุคแห่งการก่อตัวของดาวฤกษ์ในปัจจุบันคาดว่าจะดำเนินต่อไปอีกเป็นเวลาอย่างน้อยหนึ่งแสนล้านปี จากนั้น "ยุคดาว" จะค่อย ๆ เสื่อมลงในเวลาราว 10-100 ล้านล้านปี เมื่อดาวฤกษ์ที่เล็กที่สุดและมีชีวิตยาวนานที่สุดในห้วงอวกาศของเรา คือดาวแคระแดง เริ่มจางหายไป ในตอนปลายของยุคดาว ดาราจักรจะประกอบไปด้วยวัตถุที่มีมวลอัดแน่น เช่นดาวแคระน้ำตาล ดาวแคระขาวที่กำลังเย็นลง ("ดาวแคระดำ") ดาวนิวตรอน และหลุมดำ เมื่อนั้นผลจากความโน้มถ่วงที่เริ่มคลายลงจะทำให้ดาวฤกษ์ทั้งหลายตกลงสู่ใจกลางหลุมดำมวลยวดยิ่ง หรือมิฉะนั้นก็ถูกเหวี่ยงออกไปสู่ห้วงอวกาศระหว่างดาราจักรอันเป็นผลจากการชนกัน

การสำรวจอวกาศห้วงลึกแสดงว่าดาราจักรมักอยู่ใกล้กัน พบดาราจักรที่อยู่ลำพัง ไม่มีอันตรกิริยากับดาราจักรขนาดใกล้เคียงกันตลอดช่วงหนึ่งพันล้านปีที่ผ่านมาได้น้อยมาก มีเพียง 5% ของดาราจักรที่ได้สำรวจแล้วเท่านั้นที่ปรากฏว่าเป็นดาราจักรโดดเดี่ยวอย่างแท้จริง อย่างไรก็ดี ดาราจักรเดี่ยวเหล่านี้อาจเคยมีอันตรกิริยาหรือแม้กระทั่งรวมตัวกันกับดาราจักรอื่นมาแล้วในอดีต บ้างก็อาจมีดาราจักรขนาดเล็กโคจรอยู่โดยรอบ ดาราจักรเดี่ยวสามารถก่อกำเนิดดาวฤกษ์ใหม่ได้ในอัตราที่สูงกว่าปกติ เพราะแก๊สของมันไม่ได้ถูกดึงดูดออกไปโดยดาราจักรข้างเคียง

ในภาพกว้าง เอกภพยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ทำให้แต่ละดาราจักรมีระยะทางเฉลี่ยห่างออกจากกันมากยิ่งขึ้นเรื่อย ๆ (ดู กฎของฮับเบิล) แรงโน้มถ่วงดึงดูดซึ่งกันและกัน ทำให้การรวมตัวกันของดาราจักรในระดับท้องถิ่น สามารถเอาชนะการขยายตัวของเอกภพได้ การรวมกลุ่มกันของดาราจักรเกิดขึ้นนานแล้วนับแต่ยุคต้นของเอกภพ เมื่อกลุ่มของสสารมืดดึงดูดดาราจักรเข้าหากัน กลุ่มที่อยู่ข้างเคียงก็รวมตัวกันเป็นกระจุกซึ่งมีโครงสร้างใหญ่ขึ้น การรวมตัวกันเช่นนี้ทำให้แก๊สระหว่างดาราจักรที่อยู่ในกระจุกเดียวกันมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก อาจสูงถึง 30-100 ล้านเคลวิน ประมาณ 70-80% ของมวลในแต่ละกระจุกอยู่ในรูปของสสารมืด อีก 10-30% เป็นแก๊สร้อน สสารอีกเล็กน้อยไม่กี่เปอร์เซ็นต์ที่เหลือ อยู่ในรูปของดาราจักร

ดาราจักรส่วนใหญ่ในเอกภพถูกยึดไว้ด้วยแรงโน้มถ่วงกับกลุ่มดาราจักรอื่นอีกจำนวนหนึ่ง ก่อให้เกิดโครงสร้างคล้ายแฟร็กทัลภายในกระจุกดาราจักร ระดับที่เล็กที่สุดของการรวมตัวกันเรียกว่ากลุ่มดาราจักร กลุ่มดาราจักรเป็นรูปแบบพื้นฐานที่สุดของกระจุกดาราจักร และเป็นการรวมตัวกันของดาราจักรที่พบได้มากที่สุดในเอกภพ การที่ดาราจักรดึงดูดกันและกันอยู่ได้นั้น ดาราจักรสมาชิกจะต้องมีความเร็วต่ำเพียงพอที่จะไม่หลุดหนีไป ทว่าหากมีพลังงานจลน์ไม่เพียงพอ ก็อาจทำให้จำนวนสมาชิกในกลุ่มลดน้อยลงเนื่องจากเกิดการรวมเข้าด้วยกัน

โครงสร้างที่ใหญ่กว่ากลุ่มดาราจักรเรียกว่ากระจุกดาราจักร (cluster) ประกอบด้วยดาราจักรนับพันรวมกลุ่มกันภายในพื้นที่เพียงไม่กี่เมกะพาร์เซก กระจุกดาราจักรมักมีดาราจักรรีขนาดยักษ์อยู่หนึ่งดาราจักร เรียกว่าดาราจักรสว่างที่สุดในกระจุก (brightest cluster galaxy: BCG) เมื่อเวลาผ่านไป แรงไทดัลจะค่อย ๆ ฉีกทำลายดาราจักรบริวาร แล้วรวมดาราจักรเหล่านั้นเข้าเป็นส่วนหนึ่งของมัน

กลุ่มกระจุกดาราจักร (supercluster) ประกอบไปด้วยดาราจักรจำนวนหลายหมื่น พบรวมตัวกันอยู่เป็นกระจุก เป็นกลุ่ม หรือบางครั้งก็อยู่เดี่ยว ๆ ในระดับนี้ดาราจักรจะวางตัวเป็นแผ่น (sheet) และเส้นใย (filament) ล้อมรอบที่ว่างอันกว้างใหญ่ไพศาล เหนือขึ้นไปจากโครงสร้างนี้ เอกภพจะมีลักษณะเป็นไอโซทรอปีและเป็นเนื้อเดียวกัน

ดาราจักรทางช้างเผือกเป็นสมาชิกอยู่ในโครงสร้างที่เรียกว่า "กลุ่มท้องถิ่น" (Local Group) ซึ่งจัดว่าเป็นกลุ่มดาราจักรขนาดเล็ก มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณหนึ่งเมกะพาร์เซก ทางช้างเผือกกับดาราจักรแอนดรอเมดาเป็นดาราจักรที่สว่างที่สุดในกลุ่มนี้ ส่วนสมาชิกอื่น ๆ เป็นดาราจักรแคระที่อยู่รอบดาราจักรทั้งสอง กลุ่มท้องถิ่นยังเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มกระจุกดาราจักรหญิงสาว ซึ่งประกอบขึ้นจากกลุ่มและกระจุกดาราจักรจำนวนมากโดยมีศูนย์กลางอยู่ที่กระจุกดาราจักรหญิงสาว

หลังการค้นพบดาราจักรอื่นนอกเหนือจากทางช้างเผือก การสังเกตการณ์ในยุคแรก ๆ อาศัยเพียงการสังเกตในแสงที่ตามองเห็น ซึ่งดาวฤกษ์แผ่รังสีในย่านนี้ออกมามากที่สุด การสังเกตการณ์ดาวฤกษ์ที่รวมตัวกันเป็นดาราจักรจึงเป็นส่วนประกอบสำคัญในวิชาดาราศาสตร์เชิงแสง มันเป็นย่านสเปกตรัมที่เหมาะที่สุดในการสังเกตการณ์บริเวณเอช 2 และยังเหมาะสำหรับการตรวจสอบการกระจายตัวของฝุ่นในแขนดาราจักร

ความทึบแสงของฝุ่นที่อยู่ในสสารระหว่างดาวทำให้การสังเกตในแสงที่ตามองเห็นทำไม่ได้ นักดาราศาสตร์จึงอาศัยการสังเกตในย่านอินฟราเรดไกลซึ่งสามารถทะลุผ่านฝุ่นระหว่างดาวออกไปได้ค่อนข้างดี การสังเกตในย่านนี้ทำได้อย่างละเอียดสำหรับการสำรวจบริเวณด้านในของเมฆโมเลกุลขนาดยักษ์และแกนกลางของดาราจักร นักดาราศาสตร์ใช้อินฟราเรดในการสังเกตดาราจักรที่อยู่ห่างไกลมากซึ่งมีการเลื่อนไปทางแดงสูง และก่อตัวในช่วงต้นของประวัติศาสตร์เอกภพ แต่การที่ไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศของโลกดูดซับบางส่วนของอินฟราเรดไว้ จึงจำเป็นต้องติดตั้งกล้องโทรทรรศน์บนที่สูงหรือในอวกาศ

การศึกษาดาราจักรที่มองไม่เห็นครั้งแรก โดยเฉพาะอย่างยิ่งดาราจักรกัมมันต์ กระทำโดยใช้คลื่นวิทยุ ซึ่งความถี่วิทยุระดับ 5-30 เมกะเฮิรตซ์ สามารถผ่านชั้นบรรยากาศของโลกได้ (ไอโอโนสเฟียร์ปิดกั้นสัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่านี้) อินเตอร์ฟีรอมิเตอร์วิทยุ (radio interferometer) ขนาดใหญ่ถูกนำมาใช้ในการทำแผนที่ลำพลังงานที่เปล่งออกมาจากนิวเคลียสของดาราจักร กล้องโทรทรรศน์วิทยุก็สามารถนำมาใช้ในการสังเกตไฮโดรเจนที่เป็นกลาง (โดยตรวจการแผ่รังสีที่ 21 ซม.) รวมถึงสสารที่ไม่แตกตัวเป็นไอออนในยุคต้นของเอกภพซึ่งต่อมาได้ยุบตัวเป็นดาราจักร

กล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์และอัลตราไวโอเลต สามารถตรวจสอบปรากฏการณ์ดาราจักรที่ปลดปล่อยพลังงานสูงมาก ๆ ได้ เช่นกรณีที่ดาวฤกษ์ในดาราจักรห่างไกลถูกฉีกออกด้วยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ ซึ่งทำให้เกิดการส่องสว่างของอัลตราไวโอเลต รังสีเอกซ์ก็ช่วยในการทำแผนที่การกระจายตัวของแก๊สร้อนในกระจุกดาราจักร นอกจากนี้ การมีอยู่ของหลุมดำมวลยวดยิ่งที่แกนกลางดาราจักรก็สามารถยืนยันได้ด้วยดาราศาสตร์รังสีเอกซ์