¿Por qué las galaxias tienen forma de disco?

Siempre veo galaxias en forma de "disco" en imágenes. Es como si hubiera un movimiento rotacional en un avión y el sistema está equilibrado por la fuerza gravitacional de arrastre que impide que las estrellas salten de la galaxia. ¿Cuál es la razón física detrás de esto? Nunca he visto una estrella en forma de disco. Una estrella no es más que una masa no sólida mucho más pequeña que gira alrededor de un eje, al igual que las galaxias. ¿Importa el tamaño? ¿Qué hace la diferencia? ¿Por qué una galaxia típica no se forma en forma esférica en lugar de forma de disco?

Las galaxias espirales pueden ser las más representadas probablemente porque nos encontramos en una, sin embargo, las galaxias vienen en muchos tamaños y formas. La página de Wikipedia sobre la clasificación morfológica de Galaxy explica las clasificaciones más comunes.

Respondiendo la pregunta sobre el título:

La respuesta básica a su pregunta es Conservación del momento angular. Los astrónomos han estado interesados ​​en esta pregunta durante mucho tiempo y todavía están escribiendo artículos sobre el tema. Incluso si asumes que en el momento del Big Bang no había un momento angular neto en el universo, uno esperaría que hubiera fluctuaciones locales. Cuando las galaxias se formaron inicialmente por atracción gravitacional, estas cantidades locales netas se mantuvieron. Ahora se conserva el momento angular, de modo que cuando la colección inicial de estrellas y gas en un volumen galáctico comienza a colapsar, el momento angular neto tiene que permanecer igual. Dado que el momento angular , para un dado es más fácil de conservar$\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$$v$ si la r es grande. En la dirección ortogonal (a lo largo del eje del momento angular accidental) no existe tal obstáculo para colapsar y, por lo tanto, la colección tiene forma de disco. Por cierto, ha habido varios estudios sobre el momento angular neto de una gran colección de galaxias provenientes del Sloan Digital Sky Survey y la respuesta es bastante cercana pero no del todo cero. Manténganse al tanto.$L$$r$

Extraído de un artículo del Departamento de Física de la Universidad de Phoenix

La masa de la galaxia (principalmente en forma de materia oscura) está en una burbuja aproximadamente esférica. Entonces, si nos fijamos en la masa, la galaxia no es un disco, es un esferoide. Pero Dark Matter es invisible, y lo que podemos ver (estrellas, gas, etc.) está en un disco.

La razón por la cual la materia oscura y la materia normal se comportan de manera diferente es que cuando el gas fluye hay "fricción" (la materia oscura no interactúa consigo misma o con la materia normal). Esto hace que el gas se caliente y luego se libera esa energía térmica (como infrarrojos, luz, etc.) Esto significa que con el tiempo el gas en la galaxia tenderá a caer a un nivel inferior. Sin embargo, el gas también tiene un momento angular (está girando), y el momento angular debe conservarse (no puede irradiarse como la energía). Por lo tanto, el gas intentará caer en una configuración de baja energía que pueda mantener el momento angular. La forma que logra esto es un disco.

Cualquier nube de gas que no esté orbitando en el plano del disco lo golpeará y, con el tiempo, será atraído hacia el mismo disco.

Las nubes de gas producen estrellas, por lo que la mayoría de las estrellas también estarán en el plano del disco. Sin embargo, los cúmulos de estrellas muy antiguos en cúmulos globulares se pueden encontrar en un patrón esférico alrededor del disco.

Entonces las galaxias forman formas de disco porque el gas que hace las estrellas cae en forma de disco.

Sin embargo, no todas las galaxias son discos. Cuando las galaxias en forma de disco colisionan, esto puede perturbar las órbitas de las estrellas, y se obtiene una galaxia con forma de "burbuja", llamadas galaxias elípticas, y son muy comunes. Las galaxias pequeñas tampoco suelen tener una estructura de disco. Estas se llaman galaxias irregulares.

Las galaxias tienen forma de disco porque son ricas en gases y dinámicamente jóvenes. Las estrellas también son ricas en gas, pero son dinámicamente viejas, por lo que han tenido tiempo de deshacerse de sus discos. Los protostars jóvenes (que son dinámicamente jóvenes) están rodeados de discos protoestelares. La razón por la que muchos objetos jóvenes ricos en gas tienen forma de disco tiene que ver con el hecho de que las órbitas circulares son compatibles sin cruce de órbitas, por lo tanto, sin choques. En cierto sentido, muchos objetos astronómicos jóvenes tienen forma de disco porque contienen gas (ed) que puede irradiar el movimiento no circular.

Pero un disco no es el estado más probable de un sistema gravitacional: dado el tiempo, el par, las inestabilidades o los procesos viscosos, tenderá a un estado compacto más probable, donde la masa fluye hacia adentro y el momento angular hacia afuera. Es por eso que los discos protoestelares se convierten en estrellas. Las galaxias, por otro lado, no han tenido tiempo de convertirse en gigantescos agujeros negros, o se les ha dado la oportunidad de hacerlo mediante el torsión con su entorno.

Cuando dos galaxias de disco pobres en gas chocan, producen una elíptica que no es como un disco. Cuando dos galaxias de disco ricas en gas chocan, producen un disco como galaxia con una protuberancia.

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Otra forma de pensar en esto es considerar la relación entre el momento angular y la energía total. A través de los choques, si hay gas presente, el sistema puede irradiar parte de su energía para que esta relación se vuelva más grande. Una relación alta corresponderá típicamente a un sistema tipo disco.

Se trata de si el gas (o cualquier otro objeto dinámico) puede enfriarse de manera efectiva durante el colapso. Si puede, obtienes un disco orientado perpendicular al momento angular promedio, mientras que si no puede, obtienes un objeto esférico.

Discos: galaxias espirales, discos de acreción de agujeros negros, discos protostelares

esferas: estrellas (lo suficientemente densas como para ser opacas a la radiación de enfriamiento), cúmulos estelares y galaxias elípticas (las estrellas en su mayoría no chocan, por lo que no pueden enfriarse), gas en cúmulos de galaxias (tan baja densidad que los átomos no chocan con la frecuencia suficiente para enfriar efectivamente)