¿Por qué no hay galaxias esféricas?

Toda esta pregunta es una premisa equivocada. ¡ Hay galaxias esféricas (o al menos casi esféricas)! Se dividen en dos categorías básicas: las galaxias elípticas que tienen una forma pseudoesférica y las mucho más pequeñas, las llamadas "galaxias esferoidales enanas" que se encuentran asociadas con nuestra propia galaxia y otras galaxias grandes en el "Grupo local".

Por supuesto, cuando observa una galaxia en el cielo, es solo una proyección bidimensional de la distribución real, pero aún se puede deducir la esfericidad (aproximada) de la distribución del brillo de la superficie y la distribución de la velocidad de la línea de visión grande para muchas elípticas y esferoidales enanas. .

Las galaxias esferoidales enanas pueden ser en realidad el tipo de galaxia más común en el universo.

Estas galaxias son aproximadamente esféricas porque las estrellas se mueven en órbitas con orientaciones bastante aleatorias, muchas en órbitas casi radiales (altamente excéntricas) sin ejes fuertemente preferidos. La dispersión de la velocidad suele ser mucho mayor que cualquier firma de rotación.

Hay una excelente respuesta a una pregunta relacionada en ¿Por qué las galaxias forman planos 2D (o similares a espirales) en lugar de bolas 3D (o similares a esféricas)?

Imágenes bonitas: imagen de Schmidt del Reino Unido de la galaxia esferoidal enana Sculptor (crédito: David Malin, AAO)

La galaxia elíptica E0 M89 (crédito Sloan Digitized Sky Survey).

Detalles: He encontrado un par de documentos que dan más cuerpo al argumento de que muchas galaxias elípticas son casi esféricas. Estos artículos son de Rodriquez & Padilla (2013) y Weijmans et al. (2014) . Ambos artículos analizan la distribución de las elipticidades aparentes de las galaxias en el "Galaxy Zoo" y el Sloan Digitized Sky Surveys, respectivamente. Luego, con un modelo estadístico y con varias suposiciones (incluyendo que las galaxias están orientadas aleatoriamente), invierten esta distribución para obtener la distribución de elipticidad verdadera.$\epsilon = 1- B/A$y un parámetro achatado/alargado$\gamma = C/A$, donde los tres ejes del elipsoide son$A\geq B \geq C$. es decir, es imposible decir si una galaxia individual de aspecto circular vista en proyección es esférica, pero se puede decir algo sobre la distribución de formas 3D si se tiene una muestra grande.

Rodríguez y Padilla concluyen que el valor medio de$\epsilon$es 0,12 con una dispersión de alrededor de 0,1 (ver imagen a continuación), mientras que$\gamma$tiene una media de 0,58 con una dispersión más amplia (gaussiana) de 0,16, cubriendo todo el rango de cero a 1. Dado que$C/A$debe ser menor que$B/A$por definición, esto significa que muchas elípticas deben estar muy cerca de ser esféricas (no se puede decir que nada sea exactamente esférico), aunque la galaxia "elíptica promedio" por supuesto no lo es.

Esta imagen muestra la distribución observada de elipticidades 2D para una gran muestra de galaxias espirales y elípticas. Las líneas son lo que predeciría observar a partir de las distribuciones de formas 3D que se encuentran en el papel.

Esta imagen de Rodríguez y Padilla muestra las distribuciones verdaderas deducidas de$\epsilon$y$\gamma$. La línea roja continua representa elípticas. Las medias de las distribuciones se muestran con líneas verticales. Observe cómo la línea punteada para espirales tiene un tamaño mucho más pequeño.$\gamma$valor - porque son aplanados.

Weijmans et al. (2014) realizan análisis similares, pero dividen su muestra elíptica en aquellos que tienen evidencia de una rotación sistemática significativa y aquellos que no. Como era de esperar, los giratorios se ven más aplanados y "achatados". Las de rotación lenta también se pueden modelar como galaxias achatadas, aunque es más probable que sean "triaxiales". Los rotadores lentos tienen un promedio$\epsilon$de alrededor de 0.15 y promedio$\gamma$de alrededor de 0,6 (en buen acuerdo con Rodríguez y Padilla), pero las muestras son mucho más pequeñas.

En realidad, hay partes de una galaxia que se extienden más allá del plano galáctico:

• Halo galáctico : esta es en realidad la parte principal de una galaxia que no está en el disco galáctico principal. Se compone de varias secciones y se compone de una matriz de objetos.

  • Halo de materia oscura : esta es una sección de la materia oscura de la galaxia que existe en forma semiesférica. Podemos averiguar el tamaño y la forma del halo (aunque normalmente es esférico) a través de sus efectos en el movimiento a gran escala de las estrellas.

  • Esferoide galáctico : esta es una región cerca del centro de la galaxia formada por estrellas con órbitas impares. Pienso en ellos como una especie de cometas en el Cinturón de Kuiper, siguiendo extrañas órbitas en 3D. Las estrellas podrían haber sido perturbadas por el agujero negro central de la galaxia, en nuestro caso, Sagitario A*.

  • Corona galáctica : pedacitos de gas y polvo que siguen caminos irregulares a través de la galaxia. Interactúan con la materia dentro del disco galáctico y, por lo tanto, oscilan alrededor.

• Bulto galáctico : Esta es la parte central de la galaxia, alrededor del agujero negro supermasivo central. Están compuestos de gas, estrellas y polvo.
• Corriente estelar : Una serie de estrellas que han interactuado gravitacionalmente con otro objeto. Pueden ser los restos de una galaxia enana.

Enumero estos como ejemplos para mostrar que no todos los objetos permanecen en el plano galáctico. Las otras respuestas deberían darle una idea de por qué la mayoría de los objetos permanecen en el plano.

Toda la materia de la galaxia tiene que girar (no necesariamente en la misma dirección) para que actúe una fuerza centrífuga. Sin la fuerza centrífuga, toda la materia contenida en la galaxia colapsaría en el centro de la galaxia debido a la gravitación. La rotación ocurre alrededor de un eje, una línea alrededor de la cual gira toda la materia en la galaxia. Ahora bien, la manera en que toda la materia gira alrededor de ese eje es plana. ¿Por qué es plano y por qué solo tiene que girar alrededor de un eje? La respuesta a esta pregunta despejará decisivamente esa duda.

Pero, ¿cómo la galaxia plana continúa reteniendo la planaridad durante miles de millones de años?

Imaginemos que una galaxia plana tiene algunos cuerpos que no giran alrededor del eje central y tienen su propio eje de rotación. En cualquier dirección perpendicular a ese eje, la fuerza centrífuga evita que el cuerpo se derrumbe en el centro de la galaxia. Sin embargo, en cualquier dirección paralela a ese eje, no existe tal fuerza centrífuga; pero hay un componente de la fuerza gravitatoria de la materia contenida en la galaxia plana de abajo. Este componente de la fuerza gravitatoria sigue tirando del cuerpo hacia el plano y no hay fuerza para detenerlo. Por lo tanto, incluso este cuerpo eventualmente se unirá al plano galáctico. Todos esos cuerpos marginales que no obedecen al plano galáctico serán atraídos por la gravedad para eventualmente unirse al plano. Por lo tanto, la galaxia logra mantener la planitud.

Como señaló Rob Jeffries, hay galaxias que tienen formas esféricas y otras tridimensionales. Allí, sin embargo, dado que no hay un plano de rotación preexistente , nada está causando que la materia colapse en un plano. Por lo tanto, esas galaxias conservan su forma tridimensional.

Se debe al efecto combinado de rotación y "disipación". Una nube de gas en rotación consta de partículas que interactúan fuertemente entre sí (chocando físicamente) en escalas de tiempo relativamente cortas y pueden irradiar parte de su energía e impulso emitiendo fotones. Por ambas razones, una densa nube de gas en rotación colapsará para formar un disco en rotación. Pero hay algunos sistemas estelares que siguen siendo bastante esféricos, a los que llamaron cúmulos globulares.

Por otro lado, si el gas en una nube forma estrellas muy rápidamente, de modo que las partículas en él son estrellas en lugar de átomos, entonces estas "partículas" estelares no interactúan fuertemente en escalas de tiempo cortas (por ejemplo, el tiempo entre colisiones directas para una estrella en un cúmulo globular es >$10^{10}$años, y los cúmulos globulares son bastante esféricos) no pueden irradiar su energía e impulso emitiendo fotones; pueden emitir radiación gravitacional, pero eso no es tan efectivo

Por estas razones, un cúmulo esférico de estrellas seguirá siendo esférico durante largos períodos de tiempo; mucho más que la edad actual del universo.

Mencionaste galaxias elípticas , que las otras respuestas no han mencionado.

Contrariamente a su declaración acerca de que las galaxias son 2D, las galaxias elípticas son "tridimensionales" en el sentido de que las estrellas no están confinadas a un plano; Podrías pensar en ellos como "en forma de huevo".

Entonces, ¿por qué las galaxias elípticas no están confinadas a un plano? Principalmente porque (generalmente) tienen un momento angular bajo, es decir, no giran demasiado rápido sobre ningún eje, por lo que el razonamiento en la respuesta de Simha ya no se aplica.

Además, vale la pena señalar que esto no significa que no haya movimiento giratorio. No es necesario que la galaxia en su conjunto gire sobre un eje, pero las estrellas dentro de la galaxia sí lo harán. Todas las estrellas se moverán de manera bastante aleatoria dentro de la galaxia elíptica, por lo que el momento angular neto es cercano a cero.

A diferencia de una galaxia espiral, la galaxia en su conjunto tiene un momento angular muy definido, por lo que además de la propia velocidad de la estrella (a menudo llamada velocidad peculiar ), la estrella girará alrededor del centro galáctico en la misma dirección que sus vecinas. , y de hecho todas las demás estrellas de la galaxia.