เหตุใดดิสก์กาแลคซีจึงมีรูปทรง

ฉันมักจะเห็นกาแลคซีในรูป "ดิสก์" ในรูปภาพ มันเหมือนกับว่ามีการเคลื่อนที่แบบหมุนบนเครื่องบินและระบบมีความสมดุลโดยแรงดึงโน้มถ่วงที่ดึงดาวออกจากกาแลคซี เหตุผลทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลังสิ่งนี้คืออะไร? ฉันไม่เคยเห็นดาวในรูปดิสก์ ดาวไม่ได้เป็นอะไรเลยนอกจากมวลที่ไม่แข็งมาก ๆ ที่หมุนรอบแกนเช่นเดียวกับกาแลคซี ขนาดมีความสำคัญหรือไม่ อะไรที่ทำให้แตกต่าง ทำไมรูปแบบกาแลคซีทั่วไปถึงไม่เป็นรูปทรงกลมแทนที่จะเป็นรูปร่างดิสก์

กาแลคซีกังหันอาจเป็นภาพที่เกิดขึ้นบ่อยที่สุดเนื่องจากเราพบว่าตัวเราอยู่ในที่เดียวอย่างไรก็ตามกาแลคซีมีหลายขนาดและรูปร่าง หน้า Wikipedia เกี่ยวกับการจำแนกทางสัณฐานวิทยา Galaxyอธิบายการจำแนกประเภทที่พบมากที่สุด

ตอบคำถามเกี่ยวกับชื่อ:

คำตอบพื้นฐานสำหรับคำถามของคุณคือการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม นักดาราศาสตร์ให้ความสนใจกับคำถามนี้มานานและยังคงเขียนบทความเกี่ยวกับเรื่องนี้อยู่ แม้ว่าคุณจะสันนิษฐานว่าในช่วงเวลาของบิ๊กแบงไม่มีแรงกระตุ้นเชิงมุมในเอกภพ แต่ก็คาดว่าจะมีความผันผวนในท้องถิ่น เมื่อกาแลคซีเริ่มแรกเกิดจากแรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงจำนวนเหล่านี้ยังคงอยู่ในพื้นที่ ขณะนี้โมเมนตัมเชิงมุมได้รับการอนุรักษ์ดังนั้นเมื่อการสะสมครั้งแรกของดาวและก๊าซในปริมาตรกาแลคซีเริ่มยุบตัวโมเมนตัมเชิงมุมจะต้องคงอยู่เหมือนเดิม เนื่องจากโมเมนตัมเชิงมุม , สำหรับv ที่ให้$\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$$v$มันง่ายกว่าที่จะอนุรักษ์ถ้าrมีขนาดใหญ่ ในทิศทาง orthogonal (ตามแนวแกนของโมเมนตัมเชิงมุมจากอุบัติเหตุ) ไม่มีสิ่งกีดขวางดังกล่าวที่จะพังทลายลงดังนั้นการสะสมจึงกลายเป็นรูปดิสก์ โดยวิธีการที่มีการศึกษาหลายอย่างเกี่ยวกับโมเมนตัมเชิงมุมของกาแลคซีขนาดใหญ่ที่มาจาก Sloan Digital Sky Survey และคำตอบนั้นค่อนข้างใกล้เคียงกับ แต่ไม่เป็นศูนย์เลย คอยติดตาม.$L$$r$

สกัดมาจากบทความภาควิชาฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยฟีนิกซ์

มวลของกาแลคซี (ส่วนใหญ่อยู่ในรูปของสสารมืด) อยู่ในหยดทรงกลมคร่าวๆ ดังนั้นถ้าคุณดูมวลกาแลคซีไม่ใช่แผ่นดิสก์มันคือทรงกลม แต่ Dark Matter นั้นมองไม่เห็นและสิ่งที่เราเห็น (ดาวแก๊ส ฯลฯ ) อยู่ในดิสก์

เหตุผลที่สสารมืดและสสารปกติประพฤติแตกต่างกันคือเมื่อก๊าซไหลมี "แรงเสียดทาน" (สสารมืดไม่ได้โต้ตอบกับตัวมันเองหรือสสารปกติ) นี่เป็นสาเหตุที่ทำให้ก๊าซร้อนขึ้นและพลังงานความร้อนจะถูกปลดปล่อยออกมา (เช่นอินฟาเรด, แสงและอื่น ๆ ) ซึ่งหมายความว่าเมื่อเวลาผ่านไปก๊าซในกาแลคซีจะมีแนวโน้มลดลงถึงระดับที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตามก๊าซก็มีโมเมนตัมเชิงมุม (มันหมุน) และโมเมนตัมเชิงมุมต้องได้รับการอนุรักษ์ (มันไม่สามารถแผ่ออกมาเหมือนพลังงาน) ดังนั้นก๊าซจะพยายามตกอยู่ในการกำหนดค่าพลังงานต่ำที่สามารถรักษาโมเมนตัมเชิงมุม รูปร่างที่ทำให้เกิดสิ่งนี้คือแผ่นดิสก์

เมฆก๊าซใด ๆ ที่ไม่ได้โคจรอยู่ในระนาบของแผ่นดิสก์จะกระทบกับมันและเมื่อเวลาผ่านไปมันจะถูกดึงเข้าไปในแผ่นดิสก์แผ่นเดียวกัน

เมฆก๊าซผลิตดาวและดาวส่วนใหญ่ก็จะอยู่ในระนาบของแผ่นดิสก์ กระจุกดาวอายุมากในกระจุกดาวทรงกลมอย่างไรก็ตามสามารถพบได้ในรูปแบบทรงกลมรอบแผ่นดิสก์

กาแลคซีก่อตัวเป็นรูปร่างดิสก์เนื่องจากก๊าซที่ทำให้ดาวตกลงไปในรูปร่างดิสก์

อย่างไรก็ตามกาแลคซีทั้งหมดไม่ใช่ดิสก์ เมื่อกาแลคซีที่มีรูปร่างเป็นแผ่นชนกันสิ่งนี้สามารถรบกวนวงโคจรของดาวและคุณจะได้กาแลคซีที่มีรูปร่าง "หยด" ซึ่งเรียกว่ากาแลคซีทรงกลมและเป็นเรื่องธรรมดามาก กาแลคซีขนาดเล็กมักจะไม่มีโครงสร้างของดิสก์เช่นกัน กาแลคซีเหล่านี้เรียกว่ากาแลคซีที่ผิดปกติ

กาแลคซีมีรูปร่างคล้ายดิสก์เนื่องจากมันเป็นก๊าซที่อุดมสมบูรณ์ ดาวก็มีก๊าซอยู่มากมาย แต่พวกมันก็มีอายุแบบไดนามิกดังนั้นพวกเขาจึงมีเวลาที่จะกำจัดดิสก์ของตัวเอง โปรโตสตาร์น้อย (ซึ่งเป็นแบบไดนามิก) ถูกล้อมรอบด้วยดิสก์โปรโต - สตาร์ เหตุผลที่วัตถุที่อุดมไปด้วยก๊าซจำนวนมากนั้นมีรูปร่างเป็นแผ่นดิสก์ก็ต้องทำตามความจริงที่ว่าวงโคจรกลมนั้นเข้ากันได้โดยไม่ต้องผ่านวงโคจรดังนั้นจึงไม่มีแรงกระแทก ในบางแง่มุมวัตถุทางดาราศาสตร์รุ่นเยาว์หลายชนิดนั้นมีรูปร่างเป็นแผ่นดิสก์เนื่องจากมีก๊าซ (ed) ซึ่งสามารถแผ่รังสีออกไปไม่ใช่การเคลื่อนที่แบบวงกลม

แต่แผ่นดิสก์ไม่ใช่สถานะที่เป็นไปได้มากที่สุดของระบบแรงโน้มถ่วง: เวลาที่กำหนดการบิดความเสถียรหรือกระบวนการที่มีความหนืดมันจะมีแนวโน้มไปสู่สถานะที่มีขนาดเล็กกว่าซึ่งมีมวลไหลเข้าและโมเมนตัมเชิงมุม นี่คือเหตุผลที่แผ่นโปรโต - สตาร์กลายเป็นดาว ในทางกลับกันกาแลคซีก็ไม่มีเวลาที่จะกลายเป็นหลุมดำขนาดมหึมาหรือได้รับโอกาสในการทำเช่นนั้นผ่านการทรมานกับสภาพแวดล้อมของพวกมัน

เมื่อกาแลคซีที่มีแก๊สไม่ดีสองตัวชนกันพวกมันก่อเป็นวงรีซึ่งไม่เหมือนดิสก์ เมื่อกาแลคซีดิสก์ที่อุดมไปด้วยก๊าซสองแผ่นชนกันพวกมันจะสร้างดิสก์เหมือนกาแลคซีที่มีส่วนนูน

ปรับปรุง

วิธีคิดอีกอย่างคือการพิจารณาอัตราส่วนโมเมนตัมเชิงมุมต่อพลังงานทั้งหมด หากเกิดแก๊สจะทำให้ระบบมีการแผ่รังสีบางส่วนเพื่อให้อัตราส่วนนี้ใหญ่ขึ้น โดยทั่วไปอัตราส่วนที่สูงจะสอดคล้องกับระบบดิสก์

ทุกอย่างเกี่ยวกับว่าก๊าซ (หรือวัตถุใด ๆ พลวัต) สามารถทำให้เย็นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ยุบตัว ถ้าทำได้คุณจะได้ดิสก์ที่ตั้งฉากกับโมเมนตัมเชิงมุมเฉลี่ยในขณะที่ไม่สามารถทำได้คุณจะได้วัตถุทรงกลม

ดิสก์: กาแลคซีกังหัน, ดิสก์เพิ่มมวลหลุมดำ, ดิสก์โปรโตเทลลาร์

ทรงกลม: ดาว (หนาแน่นพอที่จะทึบแสงเพื่อระบายความร้อนด้วยรังสี), กระจุกดาวและกาแลคซีทรงกลม (ดาวส่วนใหญ่ไม่ชนกัน, ไม่สามารถทำให้เย็นลงได้), แก๊สในกระจุกกาแลคซี (ความหนาแน่นต่ำ เย็นได้อย่างมีประสิทธิภาพ)