Почему галактики образуют 2D-плоскости (или спирали), а не 3D-шары (или сфероподобные)?

Краткий ответ: спиральная галактика на самом деле сферическая.

Чтобы понять, как это сделать, давайте в качестве отправной точки посмотрим на набросок структуры спиральной галактики из Википедии:

Спиральная галактика состоит из диска, заключенного в сфероидальное гало. Галактика вращается вокруг оси, проходящей через центр, параллельно ВНП.$\leftrightarrow$Ось GSP на изображении. Сфероидальный ореол состоит в основном из Темной Материи (ТМ), а ТМ составляет$\sim90\%$массы Млечного Пути. Динамически, это DM, что, хм, имеет значение. И DM всегда будет располагаться в конфигурации эллипсоида.

Так что вопрос скорее должен звучать так: почему вообще существует диск , почему галактика не просто эллиптическая? Ключ к ответу на этот вопрос лежит в содержании газа в галактике.

И звезды, и частицы темной материи — чем бы они ни были — не имеют столкновений ; они взаимодействуют друг с другом только через гравитацию. Бесстолкновительные системы имеют тенденцию образовывать сфероидальные или эллипсоидные системы, как мы привыкли к эллиптическим галактикам, шаровым скоплениям и т. д.; все они имеют общую характеристику, заключающуюся в том, что они очень бедны газом.

С газом все иначе: молекулы газа могут сталкиваться , причем постоянно. Эти столкновения могут передавать энергию и угловой момент. Энергия может быть превращена в другие виды энергии, которые могут улетучиваться через излучение, галактические ветры и т. д., и по мере того, как энергия уходит, газ охлаждается и переходит в более низкую энергетическую конфигурацию. Однако угловой момент газа труднее передать из галактики, поэтому он более или менее сохраняется. Результат — столкновительная система с низкой энергией, но относительно высоким угловым моментом — типичный тонкий диск спиральной галактики. (Нечто похожее, но не совсем аналогичное происходит при образовании протопланетных дисков).

Звезды также не сталкиваются, поэтому теоретически они также должны составлять эллипсоид. И некоторые из них на самом деле: звезды гало , включая шаровые скопления, но не ограничиваясь ими. Все это очень старые звезды, сформировавшиеся, когда газ галактики еще не оседал в диске (или, в некоторых случаях, образовался в диске, но позже был выброшен из-за гравитационных возмущений). Но подавляющее большинство звезд образуется в газе после того, как он осядет в диске , поэтому подавляющее большинство звезд будет находиться в том же самом диске.

Эллиптические галактики

Так почему же существуют эллиптические галактики? Эллиптические галактики, как правило, очень бедны газом, поэтому динамика газа в них не важна, они представляют собой скорее классическую гравитационную систему многих тел, такую ​​как гало ТМ. Газ истощается из этих галактик из-за множества различных процессов, таких как звездообразование, столкновения с другими галактиками (которые довольно распространены), выброс газа из-за радиационного давления из областей с сильным звездообразованием, сверхновых или квазаров и т. д. и т. д. — многие способы для галактики потерять свой газ. Если сталкивающиеся галактики достаточно обеднены газом (и столкновение приводит к слиянию), то в образовавшейся галактике не будет газа, который может осесть в диск, и кинетическая энергия звезд в новой галактике будет иметь тенденцию к распределению случайным образом. из-за хаотичности взаимодействия.

(Эта картина упрощена, так как все дело в галактической динамике довольно сложное, но я надеюсь, что она дает правильные и более или менее понятные основы).

Просто чтобы добавить к отличному ответу Тривета. Он по-прежнему оставляет необъясненным происхождение эллиптических галактик, т.е. как звезды приобретают сфероидальную форму? В конце концов, большинство звезд формируются из газа, а газ имеет тенденцию оседать в виде дисков, так почему же звезды в эллиптических галактиках имеют сфероидальное распределение, а в спиральных галактиках — дискообразное?

Общепринятое мнение состоит в том, что эллиптические галактики образовались в результате слияния двух или нескольких меньших спиральных галактик. В таких слияниях природа звезд без столкновений означает, что они не останутся в диске. Скорее энергия с орбиты галактик-прародителей переходит во внутреннюю энергию (которая не может излучаться, как в случае с газовыми дисками), эволюционируя звездное распределение от их почти минимального энергетического состояния (при заданном угловом моменте), т. е. от диска . Кроме того, взаимодействие между двумя галактиками перераспределяет отдельные звездные орбитальные угловые моменты и их ориентации, так что они больше не коррелируют (как в диске).

При слиянии газ претерпевает совершенно иную судьбу. Он сталкивается и сотрясается, затем охлаждается и образует звезды или направляется в центральные сверхмассивные черные дыры, где он может превратиться в квазар. Энергетическая и импульсная обратная связь как от квазара, так и от сверхновых, возникающих в результате рождения массивных звезд, вполне способна вытеснить весь оставшийся газ и оставить галактику бедной газом. Некоторые эллиптические галактики еще имеют небольшой газовый диск, а также есть промежуточные, так называемые S0, галактики с четким диском и существенной сфероидальной составляющей.

Это происходит из-за сил вращения, таких как центробежная сила. Помните, что галактики (по крайней мере, обычные) образуются в результате вращения материи вокруг ядра галактики.

Итак, вы не ошиблись. Гравитация изотропна, но в этом случае вращательные силы определяют форму галактики.