El nombre de galaxia se le da a cada uno de los enormes conjuntos de cientos o miles de millones de estrellas, todas interactuando gravitatoriamente y orbitando alrededor de un centro común. Todas las estrellas visibles por el ojo humano desde la superficie terrestre pertenecen a la galaxia llamada Vía Láctea; el Sol únicamente es una estrella de esta galaxia. Además de estrellas y planetas, las galaxias contienen hidrógeno atómico, hidrógeno molecular, nitrógeno, carbono y silicio entre otros elementos, además de rayos cósmicos.

Un astrónomo persa, Al-Sufi, ha sido reconocido como el primero en describir el débil fragmento de luz en la constelación Andrómeda, que sabemos ahora que es una galaxia compañera de la nuestra. En 1780, el astrónomo francés Charles Messier publicó una lista de objetos no estelares que incluía 32 objetos que son, en realidad, galaxias. Estas galaxias se identifican ahora por sus números Messier (M); la galaxia Andrómeda, por ejemplo, es conocida por los astrónomos como M31.

En la primera parte del siglo XIX, miles de galaxias fueron identificadas y catalogadas por William, Caroline y John Herschel. Desde 1900, se han descubierto en exploraciones fotográficas gran cantidad de galaxias. Éstas, a enormes distancias de la Tierra, aparecen tan diminutas en una fotografía que resulta muy difícil distinguirlas de las estrellas. La mayor galaxia conocida tiene aproximadamente trece veces más estrellas que la Vía Láctea.

En 1912 el astrónomo estadounidense Vesto M. Slipher, trabajando en el Observatorio Lowell de Arizona (EEUU), descubrió que las líneas espectrales de todas las galaxias se habían desplazado hacia la región espectral roja. Su compatriota Edwin Hubble interpretó esto como una evidencia de que todas las galaxias se alejaban unas de otras y llegó a la conclusión de que el universo se expandía. No se sabe si continuará expandiéndose o si contiene materia suficiente para frenar la expansión de las galaxias, de forma que éstas, finalmente, se junten de nuevo (ver ¿Cuál es el futuro del Universo?).

Clasificación de las galaxias

Cuando se utilizan telescopios potentes, en la mayor parte de las galaxias sólo se detecta la luz mezclada de todas las estrellas; sin embargo, las más cercanas muestran estrellas individuales. Las galaxias presentan una gran variedad de formas. Algunas tienen un perfil globular completo con un núcleo brillante. Estas galaxias llamadas elípticas contienen una gran población de estrellas viejas normalmente con poco gas o polvo y algunas estrellas de nueva formación. Las galaxias elípticas tienen gran variedad de tamaños, desde gigantes a enanas.

Por el contrario, las galaxias espirales son discos achatados que contienen no sólo algunas estrellas viejas sino también una gran población de estrellas jóvenes, bastante gas y polvo, y nubes moleculares que son el lugar de nacimiento de las estrellas. Con frecuencia, las regiones que contienen estrellas jóvenes brillantes y nubes de gas están dispuestas en grandes brazos espirales que se pueden observar rodeando a la galaxia. Generalmente, un halo de débiles estrellas viejas rodea el disco; con frecuencia existe una protuberancia nuclear más pequeña que emite dos chorros de materia energética en direcciones opuestas.

Otras galaxias en forma de disco son denominadas irregulares. Estas galaxias tienen también grandes cantidades de gas, polvo y estrellas jóvenes, pero su disposición no es en forma de espiral. Están normalmente situadas cerca de galaxias más grandes y su apariencia es probablemente el resultado de la perturbación gravitatoria debida a la cercanía de galaxias con más masa. Algunas galaxias extremadamente singulares se sitúan en grupos cerrados de dos o tres y las interacciones de sus mareas han causado distorsiones de los brazos espirales, produciendo discos ondulados y largas colas en forma de serpentinas.

Los quásares son objetos que parecen estelares o casi estelares pero sus enormes desplazamientos hacia el rojo les identifican como objetos situados a grandes distancias. Muchos astrónomos creen en la actualidad que los quásares son galaxias activas cuyos núcleos contienen enormes agujeros negros.

Las galaxias no están generalmente aisladas en el espacio, sino que suelen ser miembros de agrupaciones de tamaño pequeño o medio, que a su vez forman grandes cúmulos de galaxias. Nuestra galaxia pertenece a una agrupación pequeña de 20 galaxias aproximadamente que los astrónomos llaman el Grupo Local. La Vía Láctea y la galaxia Andrómeda son los dos miembros mayores, con 100.000 o 200.000 millones de estrellas cada una. Las Nubes de Magallanes son tres galaxias satélites cercanas, pero pequeñas y débiles, con 100 millones de estrellas aproximadamente.

El cúmulo más cercano es Virgo, que junto con el Grupo Local y otros cúmulos forma el Supercúmulo Local. Todos estos cúmulos se mueven en la misma dirección; la razón de esto podría ser otro supercúmulo escondido a la vista por nuestra propia galaxia, ya que se tiene conocimiento de supercúmulos a una distancia de hasta 300 millones de años luz. Algunos teóricos sugieren que la causa podría ser un "anillo" cósmico, una grieta unidimensional en la estructura espacio-tiempo.

Por lo general, la distribución de cúmulos y supercúmulos en el Universo no es uniforme, sino que supercúmulos de decenas de miles de galaxias están dispuestos en largos filamentos, fibrosos y con forma de lazo, separados por grandes vacíos. La Gran Muralla, un filamento galáctico descubierto en 1989, se extiende a lo largo del espacio a más de 500 millones de años luz. Los cosmólogos suponen que la materia oscura, un material hipotético que no irradia ni refleja la radiación electromagnética, puede existir en cantidades suficientes como para generar campos gravitatorios responsables de la estructura heterógenea del Universo.

Las galaxias más distantes conocidas, cerca del límite del universo visible, son objetos débiles y azules. Las imágenes de estos objetos se pueden obtener dirigiendo un telescopio hacia las regiones aparentemente vacías del cielo utilizando un detector de carga acoplada de estado sólido para concentrar la luz débil y procesar, posteriormente, estas imágenes en un ordenador o computadora. Las galaxias, que se alejan de la Tierra a una velocidad aproximada al 88% de la velocidad de la luz, pueden haberse formado alrededor de 2.000 millones de años después del origen del Universo.

Rotación de las galaxias espirales

Estrellas y nubes de gas orbitan alrededor del centro de sus galaxias. Los períodos orbitales son del orden de cientos de millones de años. Estos movimientos se han estudiado midiendo las posiciones de las líneas espectrales de la galaxia. En las galaxias espirales las estrellas se mueven en órbitas circulares a velocidades que aumentan al crecer las distancias al centro. En los bordes del disco espiral se han medido velocidades de 300 kilómetros por segundo a distancias de 150.000 años luz.

Esta relación entre la velocidad y la distancia al centro es diferente en el Sistema Solar, donde, por ejemplo, las velocidades de los planetas disminuyen cuando aumenta la distancia al Sol. Esta diferencia indica que la masa de una galaxia no está tan concentrada en el centro como lo está la masa del Sistema Solar. Gran parte de la masa de una galaxia se sitúa a una distancia considerable del centro, pero tiene una luminosidad tan débil que se ha detectado sólo por su atracción gravitatoria. Estudios sobre velocidades de las estrellas en las galaxias externas han fortalecido la teoría de que gran parte de la masa del Universo consta de materia oscura.

El conocimiento del aspecto de una galaxia está basado en observaciones ópticas. El conocimiento de la composición y movimientos de las estrellas individuales se basa en los estudios espectrales de la región óptica. Gran cantidad de detalles de la estructura galáctica se conocen a partir de las investigaciones en la región radial del espectro electromagnético, ya que el hidrógeno gaseoso de los brazos espirales de una galaxia irradia en esta región. El polvo caliente del núcleo y de los brazos espirales de una galaxia irradia en la zona infrarroja del espectro. Algunas galaxias irradian más energía en la región óptica.

Observaciones recientes de rayos X han confirmado que los halos galácticos contienen gas a temperaturas de millones de grados. La emisión de rayos X se observa también en objetos tan variados como los cúmulos globulares, fragmentos de supernova y gas caliente en cúmulos de galaxias. Las observaciones de la región ultravioleta revelan también las características del gas del halo, así como los detalles de la evolución de las estrellas jóvenes de las galaxias.