Почему галактики имеют форму диска?

Спиральные галактики могут быть наиболее часто изображаемыми, вероятно, потому, что мы находимся в одной из них, однако галактики бывают разных размеров и форм. Страница Википедии по морфологической классификации Галактики объясняет наиболее распространенные классификации.

Отвечая на вопрос в заголовке:

Основной ответ на ваш вопрос - сохранение углового момента. Астрономы давно интересовались этим вопросом и до сих пор пишут статьи на эту тему. Даже если предположить, что во время Большого взрыва во Вселенной не было чистого углового момента, можно было бы ожидать, что были локальные флуктуации. Когда галактики изначально формировались за счет гравитационного притяжения, эти чистые локальные количества сохранялись. Теперь угловой момент сохраняется, поэтому, когда первоначальный набор звезд и газа в одном галактическом объеме начинает коллапсировать, чистый угловой момент должен оставаться прежним. Поскольку угловой момент$\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$, для данного$v$его легче сохранить$L$если$r$большой. В ортогональном направлении (вдоль оси случайного углового момента) такой помехи для коллапса нет, поэтому коллекция оказывается дискообразной. Между прочим, было проведено несколько исследований суммарного углового момента большой коллекции галактик, полученных в ходе Слоановского цифрового обзора неба, и ответ довольно близок к нулю, но не совсем равен нулю. Оставайтесь в курсе.

Выдержка из статьи физического факультета Университета Феникса.

Масса галактики (в основном в виде темной материи) представляет собой примерно сферическую каплю. Итак, если вы посмотрите на массу, галактика — это не диск, это сфероид. Но темная материя невидима, а то, что мы можем видеть (звезды, газ и т. д.), находится в диске.

Причина того, что темная материя и нормальная материя ведут себя по-разному, заключается в том, что при движении газа возникает «трение» (темная материя не взаимодействует сама с собой или с нормальной материей). Это заставляет газ нагреваться, и эта тепловая энергия затем высвобождается (в виде инфракрасного излучения, света и т. д.). Это означает, что со временем газ в галактике будет иметь тенденцию опускаться до более низкого уровня. Однако газ также имеет угловой момент (он вращается), и угловой момент должен сохраняться (его нельзя излучать, как энергию). Таким образом, газ попытается попасть в низкоэнергетическую конфигурацию, которая может поддерживать угловой момент. Форма, которая достигает этого, представляет собой диск.

Любые газовые облака, которые не вращаются в плоскости диска, будут сталкиваться с ним, и со временем они будут втягиваться в тот же диск.

Газовые облака производят звезды, поэтому большинство звезд также будут находиться в плоскости диска. Однако очень старые скопления звезд в шаровых скоплениях можно найти в виде сфер вокруг диска.

Итак, галактики имеют форму диска, потому что газ, образующий звезды, имеет форму диска.

Однако не все галактики являются дисками. Когда дискообразные галактики сталкиваются, это может нарушить орбиты звезд, и вы получите галактику в форме «капли», они называются эллиптическими галактиками и очень распространены. Небольшие галактики также часто не имеют дисковой структуры. Их называют неправильными галактиками.

Галактики имеют форму диска, потому что они богаты газом и динамично молоды. Звезды также богаты газом, но они динамически стары, поэтому у них было время избавиться от своих дисков. Молодые протозвезды (динамически молодые) окружены протозвездными дисками. Причина, по которой многие молодые объекты, богатые газом, имеют форму диска, заключается в том, что круговые орбиты совместимы с отсутствием пересечения орбит, а значит, и без толчков. В некотором смысле, многие молодые астрономические объекты имеют форму диска, потому что они содержат газ, который может излучать некруговое движение.

Но диск не является наиболее вероятным состоянием гравитационной системы: с учетом времени, крутящего момента, нестабильности или вязких процессов он будет стремиться к более вероятному компактному состоянию, в котором масса течет внутрь, а угловой момент наружу. Вот почему протозвездные диски становятся звездами. Галактики, с другой стороны, не успели превратиться в гигантские черные дыры, и у них не было возможности сделать это за счет взаимодействия с окружающей средой.

Когда две бедные газом дисковые галактики сталкиваются, они образуют эллиптическую галактику, которая не похожа на диск. Когда две дисковые галактики, богатые газом, сталкиваются, они образуют дисковую галактику с выпуклостью.

Обновлять

Другой способ подумать об этом — рассмотреть отношение углового момента к полной энергии. Через удары, если присутствует газ, система может излучать часть своей энергии, так что это отношение становится больше. Высокое соотношение обычно соответствует дисковой системе.

Все дело в том, может ли газ (или любой другой динамический объект) эффективно охлаждаться при схлопывании. Если это возможно, вы получаете диск, ориентированный перпендикулярно среднему угловому моменту, а если нет, вы получаете сферический объект.

Диски: спиральные галактики, аккреционные диски черных дыр, протозвездные диски.

сферы: звезды (достаточно плотные, чтобы быть непрозрачными для охлаждающего излучения), звездные скопления и эллиптические галактики (звезды в основном не сталкиваются, поэтому не могут охладиться), газ в скоплениях галактик (настолько низкая плотность, что атомы не сталкиваются достаточно часто, чтобы эффективно охлаждать)