¿Por qué las galaxias forman planos 2D (o espirales) en lugar de bolas 3D (o esféricas)?

Question

Pregunta : Como sabemos, (1) la dimensión espacial macroscópica de nuestro universo es de 3 dimensiones, y (2) la gravedad atrae objetos masivos juntos y la fuerza gravitatoria es isotrópica sin preferencias direccionales. ¿Por qué tenemos la galaxia espiral de plano 2D (galaxias), en lugar de galaxias esféricas o elípticas?

Entrada : La gravedad es (al menos, parece serlo) isotrópico de su ley de fuerza (gravedad newtoniana). Debería mostrar no hay preferencias de dirección de la forma del vector de fuerza $ \vec {F}= \frac {GM(r_1)m(r_2)}{( \vec {r_1}- \vec {r_2})^2} \hat {r_{12}}$ . La gravedad de Einstein tampoco muestra una dependencia direccional al menos microscópicamente.

Si la gravedad atrae objetos masivos juntos isotrópico y la dimensión espacial macroscópica es 3-dimensional parece ser natural tener una forma esférica de objetos masivos reunidos. Como los cúmulos globulares, o GC son agrupaciones aproximadamente esféricas Cúmulo de estrellas como se muestra en la imagen de la Wiki:

Sin embargo, mi impresión es que, incluso si hemos observado algunas más esféricas o más parecidas a una pelota Galaxia elíptica es más común encontrar más planos Galaxia espiral como nuestro La Vía Láctea ? (¿Esta declaración es correcta? Hazme saber si me equivoco.)

También, como esta galaxia NGC 4414:

¿Hay alguna teoría física o matemática que explique por qué el Galaxia resulta ser plana (o espiralada) en lugar de esférica?

Answer 1

Respuesta corta: Una galaxia espiral es De hecho, es esférico.

Para entender cómo, veamos como punto de partida el esquema de Wikipedia de la estructura de una galaxia espiral:

Una galaxia espiral está formada por un disco incrustado en un halo esferoidal. La galaxia gira alrededor de un eje que pasa por el centro, paralelo al PNB $\leftrightarrow$ Eje del SPG en la imagen. El halo esferoidal está formado en su mayor parte por materia oscura (DM), y la DM constituye $\sim90\%$ de la masa de la Vía Láctea. Dinámicamente, es el DM, que, ehrm, importa. Y el DM siempre se dispondrá en una configuración elipsoidal.

Así que la pregunta debería ser más bien: ¿Por qué hay un disco ¿Por qué la galaxia no es sólo una elipse? La clave para responder a esto está en la contenido de gas de una galaxia.

Tanto las estrellas como las partículas de materia oscura, sean las que sean, son sin colisiones sólo interactúan entre sí a través de la gravedad. Los sistemas sin colisiones tienden a formar sistemas esferoides o elipsoides, como los que estamos acostumbrados a ver en las galaxias elípticas, los cúmulos globulares, etc.; todos ellos comparten la característica de ser muy pobres en gas.

Con el gas es diferente: las moléculas de gas pueden colisionar y lo hacen todo el tiempo. Estas colisiones pueden transferir energía y momento angular. La energía puede convertirse en otros tipos de energía, que pueden escapar, a través de la radiación, los vientos galácticos, etc., y a medida que la energía escapa, el gas se enfría y se asienta en una configuración de menor energía. Sin embargo, el momento angular del gas es más difícil de transferir fuera de la galaxia, por lo que éste se conserva más o menos. El resultado -un sistema de colisión con baja energía pero un momento angular relativamente alto- es el típico disco delgado de una galaxia espiral. (Algo similar, pero no perfectamente análogo, ocurre en la formación de los discos protoplanetarios).

Las estrellas tampoco chocan, por lo que en teoría también deberían tener forma de elipsoide. Y algunas lo hacen de hecho: la halo de estrellas incluyendo, entre otros, los cúmulos globulares. Todas ellas son estrellas muy antiguas, que se formaron cuando el gas de la galaxia aún no se había asentado en el disco (o, en el caso de unas pocas, se formaron en el disco pero luego fueron expulsadas debido a perturbaciones gravitatorias). Pero la gran mayoría de las estrellas se forman en el gas después de que éste se haya asentado en el disco y, por tanto, la gran mayoría de las estrellas se encontrarán en el mismo disco.

Galaxias elípticas

Entonces, ¿por qué hay galaxias elípticas? Las galaxias elípticas son típicamente muy pobres en gas, por lo que la dinámica del gas no es importante en ellas, son más bien un sistema gravitacional clásico de muchos cuerpos como un halo de DM. El gas se agota en estas galaxias debido a muchos procesos diferentes, como la formación de estrellas, las colisiones con otras galaxias (que son bastante comunes), la expulsión de gas debido a la presión radial de las regiones de fuerte formación estelar, las supernovas o los cuásares, etc. etc. - Son muchas las formas en que una galaxia puede perder su gas. Si las galaxias que colisionan están suficientemente vacías de gas (y la colisión da lugar a una fusión), la galaxia resultante no tendrá ningún gas que pueda asentarse en un disco, y la energía cinética de las estrellas de la nueva galaxia tenderá a distribuirse aleatoriamente debido a la naturaleza caótica de la interacción.

(Esta imagen está simplificada, ya que todo el asunto de la dinámica galáctica es bastante peliagudo, pero espero que consiga que lo fundamental sea correcto y más o menos comprensible).

Answer 2

Sólo para añadir algo a la excelente respuesta de Triveth. Sigue sin explicar el origen de las galaxias elípticas, es decir, ¿cómo consiguen las estrellas la forma esferoidal? Después de todo, la mayoría de las estrellas se forman a partir de gas y el gas tiende a asentarse en discos, así que ¿por qué las estrellas de las galaxias elípticas tienen una distribución esferoidal y las de las galaxias espirales una distribución en forma de disco?

La opinión generalizada es que las galaxias elípticas se han formado a partir de la fusión de dos o varias galaxias espirales más pequeñas. En estas fusiones, la naturaleza sin colisiones de las estrellas hace que no permanezcan en un disco. La energía de la órbita de las galaxias progenitoras se convierte en energía interna (que no se puede irradiar como en los discos de gas), lo que hace que las distribuciones estelares se alejen de su estado energético casi mínimo (con un momento angular determinado), es decir, se alejen de un disco. Además, la interacción entre las dos galaxias redistribuye los momentos angulares orbitales individuales y sus orientaciones, de modo que ya no están correlacionados (como en un disco).

El gas sufre un destino completamente diferente durante una fusión. Colisiona y choca, luego se enfría y forma estrellas o es canalizado hacia los agujeros negros supermasivos centrales, donde puede convertirse en un cuásar. La retroalimentación de energía e impulso tanto del cuásar como de las supernovas resultantes de las estrellas masivas recién nacidas es capaz de expulsar todo el gas restante y dejar la galaxia sin gas. Algunas galaxias elípticas todavía tienen un pequeño disco de gas y también hay galaxias intermedias, llamadas S0, con un disco claro y un componente esferoidal sustancial.

Answer 3

Esto se debe a las fuerzas de giro, como la fuerza centrífuga. Recuerda que las galaxias se forman (al menos las regulares) a partir del giro de la materia alrededor de un núcleo de galaxia.

Así que no te equivocas. La gravedad es isotrópica, pero en este caso las fuerzas de giro son la definición a la forma de la galaxia.