¿Por qué las galaxias tienen forma de disco?

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

Respondiendo a la pregunta del 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 asume 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 permanecieron. Ahora el momento angular se conserva, por lo que cuando la colección inicial de estrellas y gas en un volumen galáctico comienza a colapsar, el momento angular neto debe permanecer igual. Dado que el momento angular$\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$, para una dada$v$es más fácil de conservar$L$Si el$r$es largo. En la dirección ortogonal (a lo largo del eje del momento angular accidental) no existe tal obstáculo para colapsar, por lo que la colección resulta tener forma de disco. Por cierto, se han realizado 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.

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

La masa de la galaxia (principalmente en forma de materia oscura) se encuentra en una mancha aproximadamente esférica. Entonces, si miras la masa, la galaxia no es un disco, es un esferoide. Pero la Materia Oscura es invisible, y lo que podemos ver (estrellas, gas, etc.) está en un disco.

La razón por la que 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 ni con la materia normal). Esto hace que el gas se caliente y esa energía térmica se libere (como luz infrarroja, etc.). Esto significa que, con el tiempo, el gas en la galaxia tenderá a caer a un nivel más bajo. Sin embargo, el gas también tiene un momento angular (está girando), y el momento angular debe conservarse (no se puede irradiar como energía). Entonces, 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 atraída 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, se pueden encontrar cúmulos de estrellas muy antiguos en cúmulos globulares en un patrón esférico alrededor del disco.

Así que las galaxias forman discos porque el gas que forma las estrellas cae en forma de disco.

Sin embargo, no todas las galaxias son discos. Cuando las galaxias en forma de disco chocan, esto puede perturbar las órbitas de las estrellas, y se obtiene una galaxia que tiene forma de "gota", se llaman 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 gas 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. Las protoestrellas jóvenes (que son dinámicamente jóvenes) están rodeadas 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 con ningún cruce de órbitas, por lo tanto, sin choques. En cierto sentido, muchos objetos astronómicos jóvenes tienen forma de disco porque contienen gas que puede irradiar un movimiento no circular.

Pero un disco no es el estado más probable de un sistema gravitacional: dado el tiempo, la torsión, las inestabilidades o los procesos viscosos, tenderá hacia 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, ni se les ha dado la oportunidad de hacerlo a través de la torsión con su entorno.

Cuando dos galaxias con disco pobre 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 una galaxia con un bulto.

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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 choques, si hay gas presente, el sistema puede irradiar parte de su energía para que esta proporción sea mayor. Una relación alta corresponderá típicamente a un sistema similar a un disco.

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

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

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