¿Por qué no hay galaxias esféricas?

Question

Según el Página de Wikipedia sobre los tipos de galaxias Hay cuatro tipos principales de galaxias:

• Espirales - como su nombre indica, parecen enormes espirales giratorias con curvas "brazos" ramificación
• Elípticas - parece un gran disco de estrellas y otra materia
• Lenticulares - los que se encuentran entre los dos anteriores
• Irregulares - galaxias que carecen de cualquier tipo de forma definida; casi todo lo demás

Ahora bien, por lo que puedo ver, todas ellas parecen ser 2D, es decir, la forma de cada galaxia parece estar confinada dentro de una especie de plano invisible. Pero, ¿por qué una galaxia no podría tener una forma más tridimensional?

Entonces, ¿por qué no hay galaxias esféricas (es decir, las estrellas y otros objetos se distribuyen dentro de una esfera 3D, más o menos uniforme en todos los ejes)? O si las hay, ¿por qué no son más comunes?

Answer 1

Toda esta cuestión es una premisa errónea. Hay son galaxias esféricas (o al menos casi esféricas). Se dividen en dos categorías básicas: las galaxias elípticas de forma pseudoesférica y las llamadas "galaxias esferoidales enanas" que se encuentran asociadas a nuestra propia galaxia y a otras grandes galaxias del "Grupo Local".

Por supuesto, cuando se observa una galaxia en el cielo es sólo una proyección bidimensional de la distribución real, pero aún así se puede deducir la esfericidad (aproximada) a partir de la distribución del brillo de la superficie y la distribución de la velocidad en la línea de visión de muchas elípticas y esferoides enanas.

Las galaxias esferoidales enanas pueden ser el tipo de galaxia más común del universo.

Estas galaxias son aproximadamente esféricas porque las estrellas se mueven en órbitas con orientaciones bastante aleatorias, muchas en órbitas casi radiales (muy excéntricas) sin ejes fuertemente preferidos. La dispersión de la velocidad suele ser mucho mayor que cualquier signo de rotación.

Hay una excelente respuesta a una pregunta relacionada en ¿Por qué las galaxias forman planos 2D (o espirales) en lugar de bolas 3D (o esféricas)?

Bonitas imágenes: Imagen de UK Schmidt de la galaxia esferoidal enana Sculptor (crédito: David Malin, AAO)

La galaxia elíptica E0 M89 (crédito Sloan Digitized Sky Survey).

Detalles: He encontrado un par de artículos que dan más cuerpo al argumento de que muchas galaxias elípticas son casi esféricas. Estos artículos son de Rodriquez & Padilla (2013) y Weijmans et al. (2014) . Ambos trabajos analizan la distribución de las elipticidades aparentes de las galaxias en el "Galaxy Zoo" y en el Sloan Digitized Sky Surveys, respectivamente. Luego, con un modelo estadístico y con varios supuestos (incluyendo que las galaxias están orientadas al azar), invierten esta distribución para obtener la distribución de la elipticidad verdadera $\epsilon = 1- B/A$ y un parámetro oblato/prolato $\gamma = C/A$ donde los tres ejes del elipsoide son $A\geq B \geq C$ . es decir, es imposible decir si una mirada circular individual La galaxia vista en la proyección es esférica, pero se puede decir algo sobre la distribución de las formas 3D si se tiene una muestra grande.

Rodríguez y Padilla concluyen que el valor medio de $\epsilon$ es de 0,12 con una dispersión de aproximadamente 0,1 (véase la imagen siguiente), mientras que $\gamma$ tiene una media de 0,58 con una dispersión más amplia (gaussiana) de 0,16, que cubre todo el rango de cero a 1. Dado que $C/A$ debe ser inferior a $B/A$ por definición, esto significa que muchas elípticas deben ser muy cercanas a la esfera (no se puede decir que algo sea exactamente esférica), aunque la galaxia "elíptica media", por supuesto, no lo es.

Esta imagen muestra el observado distribución de elipticidades 2D para una gran muestra de galaxias espirales y elípticas. Las líneas son lo que se podría predecir que se observaría a partir de las distribuciones de formas 3D encontradas en el artículo.

Esta imagen de Rodríguez y Padilla muestra las distribuciones reales deducidas de $\epsilon$ y $\gamma$ . La línea roja continua representa las elípticas. Las medias de las distribuciones se muestran con líneas verticales. Obsérvese que la línea punteada de las espirales tiene un $\gamma$ valor - porque están aplanados.

Weijmans et al. (2014) realizan análisis similares, pero dividen su muestra de elípticas en las que tienen evidencia de una rotación sistemática significativa y las que no. Como es de esperar, las que rotan tienen un aspecto más aplanado y "oblato". Las de rotación lenta también pueden modelarse como galaxias oblatas, aunque es más probable que sean "triaxiales". Las de rotación lenta tienen una media de $\epsilon$ de aproximadamente 0,15 y una media de $\gamma$ de aproximadamente 0,6 (de acuerdo con Rodríguez y Padilla), pero las muestras son mucho más pequeñas.

Answer 2

En realidad, hay partes de una galaxia que se extienden más allá del plano galáctico:

• Halo galáctico : En realidad se trata de la parte primaria de una galaxia que no está en el disco galáctico principal. Está formada por múltiples secciones, y está compuesta o un conjunto de objetos.

  • Halo de materia oscura : Se trata de una sección de la materia oscura de la galaxia que existe en forma semiesférica. Podemos averiguar el tamaño y la forma del halo (aunque suele ser esférico) a través de sus efectos en el movimiento a gran escala de las estrellas.

  • Esferoide galáctico : Se trata de una región cercana al centro de la galaxia formada por estrellas con órbitas Impares. Pienso en ellas como una especie de cometas en el Cinturón de Kuiper - siguiendo órbitas Impares, 3D. Las estrellas podrían haber sido perturbadas por el agujero negro central de la galaxia, en nuestro caso, Sagitario A*.

  • Corona galáctica : Trozos de gas y polvo que siguen caminos irregulares a través de la galaxia. Interactúan con la materia del interior del disco galáctico y, por tanto, oscilan.

• Protuberancia galáctica : Esta es la parte central de la galaxia, alrededor del agujero negro supermasivo central. Está compuesta por gas, estrellas y polvo.

• Flujo estelar : Una serie de estrellas que han interactuado gravitacionalmente con otro objeto. Pueden ser los restos de una galaxia enana.

Enumero estos ejemplos para mostrar que no todos los objetos permanecen en el plano galáctico. Las otras respuestas deberían darte una idea de por qué la mayoría de los objetos sí permanecen en el plano.

Answer 3

Toda la materia de la galaxia tiene que girar (no necesariamente en la misma dirección) para que actúe una fuerza centrífuga. Sin la fuerza centrífuga, toda la materia contenida en la galaxia se hundiría en el centro de la misma debido a la gravitación. La rotación ocurre alrededor de un eje, una línea alrededor de la cual gira toda la materia en la galaxia. Ahora bien, la forma en que toda la materia gira alrededor de ese eje es plana. ¿Por qué es plana y por qué tiene que girar alrededor de un solo eje? La respuesta a este pregunta despejará decisivamente esa duda.

Pero, ¿cómo es posible que la galaxia planar siga conservando su planitud durante miles de millones de años?

Imaginemos que una galaxia plana tiene algunos cuerpos que no giran alrededor del eje central y tienen su propio eje de rotación. En cualquier dirección perpendicular a ese eje, la fuerza centrífuga impide que el cuerpo se hunda en el centro de la galaxia. En cualquier dirección paralela a ese eje, sin embargo, no existe tal fuerza centrífuga; pero sí una componente de la fuerza gravitatoria procedente de la materia contenida en la galaxia plana de abajo. Esta componente de la fuerza gravitatoria sigue tirando del cuerpo hacia el plano, y no hay ninguna fuerza que lo detenga. Así, incluso este cuerpo acabará uniéndose al plano galáctico. Todos estos cuerpos marginales que no obedecen al plano galáctico serán atraídos por la gravedad para unirse finalmente al plano. Por lo tanto, la galaxia consigue mantener la planaridad.

Como señaló Rob Jeffries, hay galaxias que tienen formas esféricas y otras tridimensionales. Sin embargo, como no hay preexistente plano de rotación, nada hace que la materia colapse en un plano. Por lo tanto, esas galaxias conservan su forma tridimensional.

Answer 4

Se debe al efecto combinado de la rotación y la "disipación". Una nube de gas en rotación está formada por partículas que interactúan fuertemente entre sí (colisionando físicamente) en escalas de tiempo relativamente cortas y que pueden irradiar parte de su energía y su momento emitiendo fotones. Por estas dos razones, una nube densa de gas en rotación colapsará para formar un disco giratorio. Pero hay algunos sistemas estelares que se mantienen bastante esféricos, son los llamados cúmulos globulares.

Por otro lado, si el gas de una nube forma estrellas muy rápidamente, de modo que las partículas que contiene son estrellas y no átomos, entonces estas "partículas" estelares no interactúan fuertemente en escalas de tiempo cortas (por ejemplo, el tiempo entre colisiones directas para una estrella en un cúmulo globular es > $10^{10}$ años, y los cúmulos globulares son prácticamente esféricos) no pueden irradiar su energía y momento emitiendo fotones; pueden emitir radiación gravitacional, pero eso no es tan efectivo

Por estas razones, un cúmulo esférico de estrellas seguirá siendo esférico durante períodos de tiempo muy largos; mucho más largos que la edad actual del universo.

Answer 5

Usted mencionó galaxias elípticas que las otras respuestas no han tocado.

Contrariamente a su afirmación de que las galaxias son 2D, las galaxias elípticas son "tridimensionales" en el sentido de que las estrellas no están confinadas en un solo plano; se podría pensar que tienen "forma de huevo".

Entonces, ¿por qué las galaxias elípticas no están confinadas en un plano? Principalmente porque (normalmente) tienen un bajo momento angular, es decir, no están girando demasiado rápido sobre ningún eje, por lo que el razonamiento en Respuesta de Simha ya no se aplica.

Además, cabe destacar que esto no significa que haya no movimiento giratorio. La galaxia en su conjunto no tiene por qué girar en torno a un eje, pero las estrellas de la galaxia sí. Todas las estrellas se moverán de forma bastante aleatoria dentro de la galaxia elíptica, por lo que el momento angular neto es casi nulo.

A diferencia de una galaxia espiral, la galaxia en su conjunto tiene un momento angular muy definido, por lo que además de la velocidad propia de las estrellas (a menudo llamada velocidad peculiar ) la estrella girará en torno al centro galáctico en la misma dirección que sus vecinas y, de hecho, que todas las demás estrellas de la galaxia.