Perché le galassie sono a forma di disco?

Vedo sempre le galassie a forma di "disco" nelle immagini. È come se ci fosse un movimento rotatorio su un piano e il sistema è bilanciato dalla forza gravitazionale di trazione che impedisce alle stelle di saltare fuori dalla galassia. Qual è la ragione fisica dietro questo? Non ho mai visto una stella a forma di disco. Una stella non è altro che una massa non solida molto più piccola che ruota attorno ad un asse, proprio come le galassie. Le dimensioni contano? Cosa fa la differenza? Perché una tipica galassia non si forma in una forma sferica piuttosto che in una forma a disco?

Le galassie a spirale possono essere le più comunemente rappresentate probabilmente perché ci troviamo in una, tuttavia le galassie sono disponibili in molte dimensioni e forme. La pagina di Wikipedia sulla classificazione morfologica di Galaxy spiega le classificazioni più comuni.

Rispondere alla domanda sul titolo:

La risposta di base alla tua domanda è Conservation of Angular Momentum. Gli astronomi sono interessati a questa domanda da molto tempo e stanno ancora scrivendo articoli sull'argomento. Anche se si presume che al momento del big bang non vi fosse un momento angolare netto nell'universo, ci si aspetterebbe che ci fossero fluttuazioni locali. Quando le galassie inizialmente si formarono per attrazione gravitazionale, rimasero tali importi locali netti. Ora il momento angolare viene conservato, quindi quando la raccolta iniziale di stelle e gas in un volume galattico inizia a collassare, il momento angolare netto deve rimanere lo stesso. Dal momento angolare , per un dato $\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$$v$è più facile conservare se la r è grande. Nella direzione ortogonale (lungo l'asse del momento angolare accidentale) non vi è tale impedimento a collassare e quindi la raccolta risulta essere a forma di disco. A proposito, ci sono stati diversi studi sul momento angolare netto di una vasta collezione di galassie provenienti dallo Sloan Digital Sky Survey e la risposta è abbastanza vicina ma non del tutto nulla. Rimanete sintonizzati.$L$$r$

Estratto da un articolo del Dipartimento di Fisica dell'Università di Phoenix

La massa della galassia (principalmente sotto forma di materia oscura) si trova in una macchia approssimativamente sferica. Quindi se guardi la massa, la galassia non è un disco, è uno sferoide. Ma Dark Matter è invisibile e ciò che possiamo vedere (stelle, gas, ecc.) È su un disco.

La ragione per cui la materia oscura e la materia normale si comportano diversamente è che quando il gas scorre c'è "attrito" (la materia oscura non interagisce con se stessa o con la materia normale). Ciò provoca il riscaldamento del gas e il rilascio di energia termica (come infrarossi, luce e così via) Ciò significa che nel tempo il gas nella galassia tenderà a scendere a un livello inferiore. Tuttavia, il gas ha anche un momento angolare (sta ruotando) e il momento angolare deve essere conservato (non può essere irradiato come energia). Quindi il gas proverà a cadere in una configurazione a bassa energia in grado di mantenere il momento angolare. La forma che raggiunge questo è un disco.

Qualsiasi nuvola di gas che non orbita attorno al piano del disco lo colpirà e col tempo verrà trascinata nello stesso disco.

Le nuvole di gas producono stelle, quindi anche la maggior parte delle stelle si troverà sul piano del disco. Grappoli di stelle molto vecchi in ammassi globulari possono tuttavia essere trovati in un modello sferico attorno al disco.

Quindi le galassie formano forme di disco perché il gas che forma le stelle cade in una forma di disco.

Tuttavia, non tutte le galassie sono dischi. Quando le galassie a forma di disco si scontrano, ciò può disturbare le orbite delle stelle e si ottiene una galassia che ha la forma di "blob", queste sono chiamate galassie ellittiche e sono molto comuni. Anche le piccole galassie spesso non hanno una struttura a disco. Queste sono chiamate galassie irregolari.

Le galassie sono a forma di disco perché sono ricche di gas e dinamicamente giovani. Le stelle sono anche ricche di gas ma sono dinamicamente vecchie, quindi hanno avuto il tempo di liberarsi dei loro dischi. I giovani protostari (che sono dinamicamente giovani) sono circondati da dischi protostellari. La ragione per cui molti giovani oggetti ricchi di gas hanno la forma di un disco deve dipendere dal fatto che le orbite circolari sono compatibili senza attraversamento di orbite, quindi senza shock. In un certo senso, molti giovani oggetti astronomici sono a forma di disco perché contengono gas (ed) che può irradiare un movimento non circolare.

Ma un disco non è lo stato più probabile di un sistema gravitazionale: dato il tempo, il serraggio, le instabilità o i processi viscosi tenderà verso uno stato più probabilmente compatto, dove la massa scorre verso l'interno e il momento angolare verso l'esterno. Ecco perché i dischi proto-stellari diventano stelle. D'altra parte, le galassie non hanno avuto il tempo di trasformarsi in giganteschi buchi neri, né hanno avuto l'opportunità di farlo torcendo con il loro ambiente.

Quando due galassie a disco povero di gas si scontrano producono un'ellittica che non è come un disco. Quando due galassie di dischi ricchi di gas si scontrano, producono un disco come una galassia con un rigonfiamento.

Aggiornare

Un altro modo di pensarci è considerare il rapporto tra il momento angolare e l'energia totale. Attraverso gli shock, se è presente gas, il sistema può irradiare parte della sua energia in modo che questo rapporto diventi più grande. Un rapporto elevato corrisponde in genere a un sistema simile a un disco.

Si tratta di stabilire se il gas (o qualunque altro oggetto dinamico) possa raffreddarsi efficacemente mentre collassa. Se è possibile, si ottiene un disco orientato perpendicolarmente al momento angolare medio, mentre in caso contrario si ottiene un oggetto sferico.

Dischi: galassie a spirale, dischi di accrescimento del buco nero, dischi protostellari

sfere: stelle (abbastanza dense da essere opache da radiazioni di raffreddamento), ammassi stellari e galassie ellittiche (le stelle per lo più non si scontrano, quindi non possono raffreddarsi), gas negli ammassi di galassie (così bassa densità che gli atomi non si scontrano abbastanza spesso da raffreddare efficacemente)