Dlaczego galaktyki mają kształt dysku?

Zawsze widzę galaktyki w kształcie „dysku” na zdjęciach. To jest tak, że na płaszczyźnie występuje ruch obrotowy, a układ jest zrównoważony przez przyciągającą siłę grawitacyjną, która zapobiega wyskakiwaniu gwiazd z galaktyki. Jaki jest fizyczny powód tego? Nigdy nie widziałem gwiazdy w kształcie dysku. Gwiazda jest niczym innym, jak znacznie mniejszą niesolidną masą krążącą wokół osi, podobnie jak galaktyki. Czy rozmiar ma znaczenie? Co robi różnicę? Dlaczego typowa galaktyka nie ma kształtu kuli, a nie kształtu dysku?

Galaktyki spiralne mogą być najczęściej przedstawiane prawdopodobnie dlatego, że znajdujemy się w jednej, jednak galaktyki są w wielu rozmiarach i kształtach. Strona Wikipedii na temat klasyfikacji morfologicznej Galaxy wyjaśnia najczęstsze klasyfikacje.

Odpowiedź na pytanie dotyczące tytułu:

Podstawową odpowiedzią na twoje pytanie jest zachowanie momentu pędu. Astronomowie interesują się tym pytaniem od dawna i nadal piszą artykuły na ten temat. Nawet jeśli założymy, że w czasie Wielkiego Wybuchu we wszechświecie nie było momentu pędu netto, można się spodziewać lokalnych wahań. Kiedy galaktyki początkowo powstały w wyniku przyciągania grawitacyjnego, te lokalne ilości netto pozostały. Teraz moment pędu jest zachowany, więc kiedy początkowy zbiór gwiazd i gazu w jednej galaktycznej objętości zacznie się zapadać, moment pędu netto musi pozostać taki sam. Ponieważ moment pędu , dla danego $\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$$v$łatwiej jest zachować jeśli r jest duże. W kierunku ortogonalnym (wzdłuż osi przypadkowego pędu kątowego) nie ma takiej przeszkody do zapadnięcia się, a zatem kolekcja okazuje się mieć kształt dysku. Nawiasem mówiąc, przeprowadzono kilka badań nad momentem pędu netto dużej kolekcji galaktyk pochodzących z Sloan Digital Sky Survey, a odpowiedź jest dość bliska, ale nie całkiem zerowa. Bądźcie czujni.$L$$r$

Fragment artykułu z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Phoenix

Masa galaktyki (głównie w postaci ciemnej materii) znajduje się w przybliżeniu sferycznej kropli. Więc jeśli spojrzysz na masę, galaktyka nie jest dyskiem, to sferoidą. Ale Ciemna Materia jest niewidoczna, a to, co możemy zobaczyć (gwiazdy, gaz itp.) Znajduje się na dysku.

Powodem, dla którego Ciemna materia i normalna materia zachowują się inaczej, jest to, że gdy gaz przepływa, występuje „tarcie” (ciemna materia nie wchodzi w interakcje z samą sobą ani normalną materią). Powoduje to, że gaz się nagrzewa, a energia cieplna jest następnie uwalniana (w postaci podczerwieni, światła itd.) Oznacza to, że z czasem gaz w galaktyce będzie miał tendencję do opadania na niższy poziom. Jednak gaz ma również moment pędu (obraca się), a moment pędu musi zostać zachowany (nie można go wypromieniować jak energia). Tak więc gaz będzie próbował wpaść w konfigurację o niskiej energii, która może utrzymać pęd kątowy. Kształt, który to osiąga, to dysk.

Wszelkie chmury gazu, które nie krążą w płaszczyźnie dysku, uderzą w nią i z czasem zostaną wciągnięte w ten sam dysk.

Chmury gazowe wytwarzają gwiazdy, więc większość gwiazd znajdzie się również w płaszczyźnie dysku. Jednak bardzo stare gromady gwiazd w gromadach kulistych można znaleźć w sferycznym wzorze wokół dysku.

Galaktyki tworzą więc kształty dysków, ponieważ gaz, który sprawia, że ​​gwiazdy spadają do kształtu dysku.

Jednak nie wszystkie galaktyki są dyskami. Kiedy zderzają się galaktyki w kształcie dysku, może to zaburzać orbity gwiazd, a ty otrzymujesz galaktykę, która ma kształt kropli, są to tak zwane galaktyki eliptyczne i są bardzo powszechne. Małe galaktyki również często nie mają struktury dyskowej. Są to tak zwane galaktyki nieregularne.

Galaktyki mają kształt dysku, ponieważ są bogate w gaz i dynamicznie młode. Gwiazdy są również bogate w gaz, ale są dynamicznie stare, więc miały czas na pozbycie się dysków. Młode protogwiazdy (które są dynamicznie młode) są otoczone proto-gwiezdnymi dyskami. Powodem, dla którego wiele młodych obiektów bogatych w gaz ma kształt dysku, jest fakt, że okrągłe orbity są kompatybilne z brakiem przecięcia orbity, a zatem bez wstrząsów. W pewnym sensie wiele młodych obiektów astronomicznych ma kształt dysku, ponieważ zawierają (red) gaz, który może promieniować ruchem niekołowym.

Ale dysk nie jest najbardziej prawdopodobnym stanem układu grawitacyjnego: biorąc pod uwagę czas, moment obrotowy, niestabilność lub procesy lepkie, będzie dążył do bardziej prawdopodobnego stanu zwartego, w którym masa przepływa do wewnątrz, a moment pędu na zewnątrz. Dlatego proto-gwiezdne dyski stają się gwiazdami. Z drugiej strony galaktyki nie zdążyły zamienić się w gigantyczne czarne dziury, ani nie miały takiej możliwości poprzez przemierzanie otoczenia.

Kiedy zderzają się dwie galaktyki dyskowe ubogie w gaz, wytwarzają eliptyczny, który nie jest podobny do dysku. Kiedy zderzają się dwie bogate w gaz galaktyki dyskowe, wytwarzają dysk podobny do galaktyki z wybrzuszeniem.

Aktualizacja

Innym sposobem myślenia o tym jest rozważenie stosunku momentu pędu do całkowitej energii. W przypadku wstrząsów, jeśli gaz jest obecny, system może wypromieniować część swojej energii, aby stosunek ten stał się większy. Wysoki współczynnik będzie zazwyczaj odpowiadał systemowi podobnemu do dysku.

Chodzi o to, czy gaz (lub jakikolwiek inny obiekt dynamiczny) może skutecznie ostygnąć podczas zapadania się. Jeśli to możliwe, otrzymujesz dysk zorientowany prostopadle do średniego pędu kątowego, a jeśli nie, otrzymujesz obiekt sferyczny.

Dyski: galaktyki spiralne, dyski akrecyjne czarnej dziury, dyski protostellarne

sfery: gwiazdy (wystarczająco gęste, aby były nieprzezroczyste dla promieniowania chłodzącego), gromady gwiazd i galaktyki eliptyczne (gwiazdy w większości nie kolidują, więc nie mogą się ochłodzić), gaz w gromadach galaktyk (tak mała gęstość, że atomy nie zderzają się wystarczająco często, aby skutecznie chłodzić)