¿Por qué las galaxias forman planos 2D (o con forma de espiral) en lugar de bolas 3D (o con forma esférica)?

Respuesta corta: una galaxia espiral es , de hecho, esférica.

Para entender cómo, veamos como punto de partida el boceto de Wikipedia de la estructura de una galaxia espiral:

Una galaxia espiral consiste en un disco incrustado en un halo esferoidal. La galaxia gira alrededor de un eje que pasa por el centro, paralelo al PNB$\leftrightarrow$Eje GSP en la imagen. El halo esferoidal consiste principalmente en Materia Oscura (DM), y el DM constituye$\sim90\%$de la masa de la Vía Láctea. Dinámicamente, es el DM, eso, ehrm, importa. Y DM siempre se organizará en una configuración elipsoide.

Así que la pregunta debería ser más bien: ¿Por qué hay siquiera un disco , por qué la galaxia no es simplemente una elíptica? La clave para responder a esto radica en el contenido de gas de una galaxia.

Tanto las estrellas como las partículas de materia oscura, sean lo que sean, no tienen colisiones ; solo interactúan entre sí a través de la gravedad. Los sistemas sin colisiones tienden a formar sistemas esferoides o elipsoides, como estamos acostumbrados a partir de galaxias elípticas, cúmulos globulares, etc.; todos los cuales comparten la característica de que son muy pobres en gas.

Con el gas es diferente: las moléculas de gas pueden chocar y hacerlo todo el tiempo. Estas colisiones pueden transferir energía y momento angular. La energía puede convertirse en otros tipos de energía, que pueden escapar, a través de la radiación, los vientos galácticos, etc., y cuando la energía escapa, el gas se enfría y se asienta en una configuración de energía más baja. Sin embargo, el momento angular del gas es más difícil de transferir fuera de la galaxia, por lo que se conserva más o menos. El resultado, un sistema de colisión con baja energía pero un momento angular relativamente alto, es el típico disco delgado de una galaxia espiral. (Algo similar, pero no perfectamente análogo, sucede en la formación de discos protoplanetarios).

Las estrellas tampoco chocan, por lo que, en teoría, también deberían formar una forma elipsoide. Y algunos lo hacen de hecho: las estrellas del halo , incluidos, entre otros, los cúmulos globulares. Estas son todas estrellas muy antiguas, formadas cuando el gas de la galaxia aún no se había asentado en el disco (o, para algunas, se formaron en el disco pero luego fueron expulsadas debido a perturbaciones gravitacionales). Pero la gran mayoría de las estrellas se forman en el gas después de que se haya asentado en el disco , por lo que la gran mayoría de las estrellas se encontrarán en el mismo disco.

Galaxias elípticas

Entonces, ¿por qué hay incluso galaxias elípticas? Las galaxias elípticas suelen ser muy pobres en gas, por lo que la dinámica del gas no es importante en ellas, son más bien un sistema gravitatorio clásico de muchos cuerpos como un halo de DM. El gas se agota en estas galaxias debido a muchos procesos diferentes, como la formación de estrellas, las colisiones con otras galaxias (que son bastante comunes), la eyección de gas debido a la presión de radiación de las regiones de fuerte formación de estrellas, las supernovas o los cuásares, etc. etc. - muchos son las formas en que una galaxia pierde su gas. Si las galaxias en colisión tienen suficiente gas (y la colisión da como resultado una fusión), entonces la galaxia resultante no tendrá ningún gas que pueda asentarse en un disco, y la energía cinética de las estrellas en la nueva galaxia tenderá a distribuirse aleatoriamente. debido a la naturaleza caótica de la interacción.

(Esta imagen está simplificada, ya que todo el asunto de la dinámica galáctica es bastante peludo, pero espero que los fundamentos sean correctos y más o menos comprensibles).

Solo para agregar a la excelente respuesta de Triveth. Todavía deja sin explicar el origen de las galaxias elípticas, es decir, ¿cómo alcanzan las estrellas la forma esferoidal? Después de todo, la mayoría de las estrellas se forman a partir de gas y el gas tiende a asentarse en discos, entonces, ¿por qué las estrellas en las galaxias elípticas tienen una distribución esferoidal pero en las galaxias espirales tienen una distribución en forma de disco?

La sabiduría estándar es que las galaxias elípticas se han formado a partir de la fusión de dos o varias galaxias espirales más pequeñas. En tales fusiones, la naturaleza sin colisiones de las estrellas significa que no permanecerán en un disco. Más bien, la energía de la órbita de las galaxias progenitoras se transfiere a energía interna (que no se puede irradiar como ocurre con los discos de gas), lo que hace que las distribuciones estelares se alejen de su estado de energía casi mínimo (en un momento angular dado), es decir, lejos de un disco. . Además, la interacción entre las dos galaxias redistribuye los momentos angulares orbitales estelares individuales y sus orientaciones, de modo que ya no están correlacionados (como en un disco).

El gas sufre un destino completamente diferente durante una fusión. Choca y choca, luego se enfría y forma estrellas o se canaliza hacia los agujeros negros supermasivos centrales, donde puede convertirse en un cuásar. La retroalimentación de energía y momento tanto del cuásar como de las supernovas resultantes de las estrellas masivas recién nacidas es muy capaz de expulsar todo el gas restante y dejar a la galaxia pobre en gas. Algunas galaxias elípticas todavía tienen un pequeño disco de gas y también hay galaxias intermedias, las llamadas S0, con un disco transparente y una componente esferoidal sustancial.

Esto se debe a las fuerzas giratorias, como la fuerza centrífuga. Recuerda que las galaxias se forman (al menos las regulares) a partir del giro de la materia alrededor del núcleo de una galaxia.

Entonces, no te equivocas. La gravedad es isotrópica, pero en estos casos las fuerzas giratorias son la definición de la forma de la galaxia.