Почему нет сферических галактик?

Весь этот вопрос является ошибочной предпосылкой. Существуют сферические (или, по крайней мере, почти сферические) галактики ! Они делятся на две основные категории: эллиптические галактики псевдосферической формы и намного меньшие, так называемые «карликовые сфероидальные галактики» , которые связаны с нашей собственной Галактикой и другими крупными галактиками «Местной группы».

Конечно, когда вы смотрите на галактику на небе, это всего лишь двухмерная проекция истинного распределения, но все же можно вывести (приблизительно) сферичность из распределения поверхностной яркости и большого распределения скоростей на луче зрения для многих эллиптических и карликовых сфероидов. .

Карликовые сфероидальные галактики могут быть самым распространенным типом галактик во Вселенной.

Эти галактики имеют примерно сферическую форму, потому что звезды движутся по орбитам с довольно случайной ориентацией, многие из них по почти радиальным (с большим эксцентриситетом) орбитам без сильно предпочтительных осей. Дисперсия скоростей обычно намного больше, чем любая сигнатура вращения.

Есть отличный ответ на связанный с этим вопрос: Почему галактики образуют 2D-плоскости (или спирали) вместо 3D-шаров (или сфероподобных)?

Красивые фотографии: изображение карликовой сфероидальной галактики Скульптора, сделанное Великобританией Шмидтом (кредит: Дэвид Малин, AAO)

Эллиптическая галактика E0 M89 (кредит Sloan Digitized Sky Survey).

Подробности: я нашел пару статей, которые еще больше обосновывают аргумент о том, что многие эллиптические галактики близки к сферическим. Эти статьи написаны Rodriquez & Padilla (2013) и Weijmans et al. (2014) . Обе эти статьи рассматривают распределение кажущихся эллиптичностей галактик в «Зоопарке галактик» и Слоановском оцифрованном обзоре неба соответственно. Затем с помощью статистической модели и с различными предположениями (в том числе о том, что галактики ориентированы случайным образом) они инвертируют это распределение, чтобы получить распределение истинной эллиптичности$\epsilon = 1- B/A$и сжатый/вытянутый параметр$\gamma = C/A$, где три оси эллипсоида$A\geq B \geq C$. т.е. невозможно сказать, является ли круглая отдельная галактика, видимая в проекции, сферической, но вы можете сказать что-то о распределении трехмерных форм, если у вас есть большая выборка.

Родригес и Падилья заключают, что среднее значение$\epsilon$составляет 0,12 с дисперсией около 0,1 (см. рисунок ниже), в то время как$\gamma$имеет среднее значение 0,58 с более широкой (гауссовой) дисперсией 0,16, охватывающей весь диапазон от нуля до 1. Учитывая, что$C/A$должно быть меньше, чем$B/A$по определению это означает, что многие эллиптические галактики должны быть очень близки к сферическим (вы не можете сказать, что что-либо является точно сферическим), хотя «средняя эллиптическая» галактика, конечно, таковой не является.

На этом рисунке показано наблюдаемое распределение 2D-эллиптичности для большой выборки спиральных и эллиптических галактик. Линии — это то, что вы могли бы ожидать, исходя из распределений трехмерных форм, найденных в статье.

На этой картинке Родригеса и Падильи показаны полученные истинные распределения$\epsilon$а также$\gamma$. Сплошная красная линия представляет эллиптические. Средние значения распределений показаны вертикальными линиями. Обратите внимание, что пунктирная линия для спиралей имеет гораздо меньший размер.$\gamma$значение - потому что они сглажены.

Вейманс и др. (2014) проводят аналогичный анализ, но они разделили свою эллиптическую выборку на те, у которых есть доказательства значительного систематического вращения, и те, которые этого не делают. Как и следовало ожидать, вращающиеся выглядят более плоскими и «сплюснутыми». Медленно вращающиеся галактики также можно смоделировать как сплюснутые галактики, хотя они, скорее всего, будут «трехосными». Медленные ротаторы имеют в среднем$\epsilon$около 0,15 и в среднем$\gamma$около 0,6 (в хорошем согласии с Rodriguez & Padilla), но образцы намного меньше.

На самом деле есть части галактики, выходящие за пределы галактической плоскости:

• Галактическое гало : на самом деле это основная часть галактики, которая не находится в основном галактическом диске. Он состоит из нескольких разделов и представляет собой массив объектов.

  • Гало темной материи : это часть темной материи галактики, имеющая полусферическую форму. Мы можем определить размер и форму гало (хотя обычно оно сферическое) по его влиянию на крупномасштабное движение звезд.

  • Галактический сфероид : это область недалеко от центра галактики, состоящая из звезд с нечетными орбитами. Я думаю о них как о кометах в поясе Койпера, движущихся по странным трехмерным орбитам. Звезды могли быть возмущены центральной черной дырой в галактике — в нашем случае Стрельцом А*.

  • Галактическая корона : частицы газа и пыли, движущиеся по галактике неправильными путями. Они взаимодействуют с материей внутри галактического диска и поэтому колеблются вокруг.

• Галактическая выпуклость : это центральная часть галактики вокруг центральной сверхмассивной черной дыры. Они состоят из газа, звезд и пыли.
• Звездный поток : серия звезд, которые гравитационно взаимодействовали с другим объектом. Они могут быть остатками карликовой галактики.

Я перечисляю их в качестве примеров, чтобы показать, что не все объекты остаются в галактической плоскости. Другие ответы должны дать вам представление о том, почему большинство объектов остаются в плоскости.

Все вещество в галактике должно вращаться (не обязательно в одном направлении), чтобы действовала центробежная сила. Без центробежной силы все вещество, содержащееся в галактике, схлопнется в центр галактики из-за гравитации. Вращение происходит вокруг оси, линии, вокруг которой вращается все вещество в галактике. То, как вся материя вращается вокруг этой оси, плоское. Почему он плоский и почему он должен вращаться только вокруг оси? Ответ на этот вопрос окончательно рассеет это сомнение.

Но как плоская галактика продолжает сохранять планарность в течение миллиардов лет?

Представим себе, что плоская галактика имеет несколько тел, которые не вращаются вокруг центральной оси и имеют собственную ось вращения. В любом направлении, перпендикулярном этой оси, центробежная сила удерживает тело от коллапса в центр галактики. Однако в любом направлении, параллельном этой оси, такой центробежной силы нет; но есть составляющая гравитационной силы от материи, содержащейся в плоской галактике внизу. Эта составляющая гравитационной силы продолжает тянуть тело к плоскости, и нет никакой силы, чтобы остановить ее. Таким образом, даже это тело в конечном итоге соединится с галактической плоскостью. Все такие краевые тела, которые не подчиняются галактической плоскости, будут притягиваться гравитацией, чтобы в конечном итоге присоединиться к плоскости. Поэтому галактике удается сохранять планарность.

Как указал Роб Джеффрис, существуют галактики сферической и других трехмерных форм. Однако там, поскольку не существовало ранее плоскости вращения, ничто не заставляет материю коллапсировать в плоскость. Поэтому эти галактики сохраняют свою трехмерную форму.

Это связано с комбинированным эффектом вращения и «рассеивания». Вращающееся облако газа состоит из частиц, которые сильно взаимодействуют друг с другом (физически сталкиваются) в относительно короткие промежутки времени и могут излучать часть своей энергии и импульса, испуская фотоны. По обеим этим причинам плотное облако вращающегося газа будет коллапсировать, образуя вращающийся диск. Но есть некоторые звездные системы, которые остаются довольно сферическими, они называются шаровыми скоплениями.

С другой стороны, если газ в облаке очень быстро образует звезды, так что частицы в нем являются звездами, а не атомами, то эти звездные «частицы» не сильно взаимодействуют на коротких временных масштабах (например, время между прямыми столкновениями для звезда в шаровом скоплении >$10^{10}$лет, а шаровые скопления почти сферические) не могут излучать свою энергию и импульс, испуская фотоны; они могут излучать гравитационное излучение, но это не так эффективно

По этим причинам сферическое скопление звезд будет оставаться сферическим в течение очень длительного периода времени; намного больше, чем нынешний возраст Вселенной.

Вы упомянули эллиптические галактики , которых не коснулись другие ответы.

Вопреки вашему утверждению о двухмерности галактик, эллиптические галактики являются «трехмерными» в том смысле, что звезды не ограничены одной плоскостью; Вы можете думать о них как о «яйцевидной форме».

Так почему же эллиптические галактики не ограничены плоскостью? В основном потому, что они (обычно) имеют низкий угловой момент, то есть они не вращаются слишком быстро вокруг какой-либо оси, поэтому рассуждения в ответе Симхи больше не применяются.

Кроме того, стоит отметить, что это не означает, что нет вращательного движения. Галактика в целом не обязательно должна вращаться вокруг оси, но звезды внутри галактики будут вращаться. Все звезды будут двигаться довольно хаотично внутри эллиптической галактики, поэтому суммарный угловой момент будет близок к нулю.

В отличие от спиральной галактики, галактика в целом имеет вполне определенный угловой момент, поэтому помимо собственной скорости звезды (часто называемой пекулярной скоростью ) звезда будет вращаться вокруг галактического центра в том же направлении, что и ее соседи. , да и любая другая звезда в галактике.