Por que as galáxias têm formato de disco?

Eu sempre vejo galáxias em forma de "disco" nas fotos. É como se houvesse um movimento rotacional em um avião e o sistema fosse equilibrado pela força gravitacional que impede as estrelas de saltarem da galáxia. Qual é a razão física por trás disso? Eu nunca vi uma estrela em forma de disco. Uma estrela nada mais é do que uma massa não sólida muito menor que gira em torno de um eixo, exatamente como as galáxias. O tamanho importa? O que faz a diferença? Por que uma galáxia típica não forma uma forma esférica em vez de uma forma de disco?

As galáxias espirais podem ser as mais comumente representadas, provavelmente porque nos encontramos em uma, no entanto, as galáxias têm vários tamanhos e formas. A página da Wikipedia sobre classificação morfológica do Galaxy explica as classificações mais comuns.

Respondendo à pergunta no título:

A resposta básica para sua pergunta é Conservação do momento angular. Os astrônomos estão interessados ​​nesta questão há muito tempo e ainda estão escrevendo artigos sobre o assunto. Mesmo se você assumir que no momento do big bang não havia momento angular líquido no universo, seria de esperar que houvesse flutuações locais. Quando as galáxias inicialmente formadas por atração gravitacional, essas quantidades locais líquidas permaneceram. Agora, o momento angular é conservado; assim, quando a coleção inicial de estrelas e gás em um volume galáctico começa a entrar em colapso, o momento angular líquido deve permanecer o mesmo. Como momento angular , para um dado é mais fácil conservar se o vL$\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$$v$$L$$r$é grande. Na direção ortogonal (ao longo do eixo do momento angular acidental) não existe esse obstáculo ao colapso e, portanto, a coleção acaba sendo em forma de disco. A propósito, tem havido vários estudos sobre o momento angular líquido de uma grande coleção de galáxias provenientes do Sloan Digital Sky Survey e a resposta é bem próxima, mas não completamente zero. Fique ligado.

Extraído de um artigo do Departamento de Física da Universidade de Phoenix

A massa da galáxia (principalmente na forma de matéria escura) está em uma bolha aproximadamente esférica. Então, se você observar a massa, a galáxia não é um disco, é um esferóide. Mas Dark Matter é invisível, e o que podemos ver (estrelas, gás etc.) está em um disco.

A razão pela qual a matéria escura e a matéria normal se comportam de maneira diferente é que, quando o gás flui, há "atrito" (a matéria escura não interage consigo mesma ou com a matéria normal). Isso faz com que o gás aqueça e a energia térmica é liberada (como infravermelho, luz e assim por diante). Isso significa que, com o tempo, o gás na galáxia tenderá a cair para um nível mais baixo. No entanto, o gás também possui momento angular (está em rotação) e o momento angular deve ser conservado (não pode ser irradiado como energia). Portanto, o gás tentará entrar em uma configuração de baixa energia que possa manter o momento angular. A forma que consegue isso é um disco.

Quaisquer nuvens de gás que não estejam orbitando no plano do disco serão atingidas e, com o tempo, serão puxadas para o mesmo disco.

As nuvens de gás produzem estrelas e, portanto, a maioria das estrelas também estará no plano do disco. Porém, aglomerados de estrelas muito antigos em aglomerados globulares podem ser encontrados em um padrão esférico ao redor do disco.

Assim, as galáxias formam discos porque o gás que forma as estrelas cai em um disco.

No entanto, nem todas as galáxias são discos. Quando as galáxias em forma de disco colidem, isso pode perturbar as órbitas das estrelas, e você obtém uma galáxia com o formato de uma bolha, chamadas galáxias elípticas e são muito comuns. As galáxias pequenas também não costumam ter uma estrutura de disco. Estes são chamados galáxias irregulares.

As galáxias têm formato de disco porque são ricas em gás e dinamicamente jovens. As estrelas também são ricas em gás, mas são dinamicamente antigas, portanto tiveram tempo de se livrar de seus discos. Protostars jovens (que são dinamicamente jovens) são cercados por discos proto-estelares. A razão pela qual muitos objetos jovens ricos em gás são moldados em disco deve fazer com que as órbitas circulares sejam compatíveis sem cruzamento de órbitas e, portanto, sem choques. Em certo sentido, muitos objetos astronômicos jovens têm formato de disco porque contêm gás (ed) que pode irradiar movimentos não circulares.

Mas um disco não é o estado mais provável de um sistema gravitacional: dado tempo, torque, instabilidades ou processos viscosos, ele tenderá a um estado compacto mais provável, onde a massa flui para dentro e o momento angular para fora. É por isso que os discos proto-estelares se tornam estrelas. As galáxias, por outro lado, não tiveram tempo de se transformar em gigantescos buracos negros, nem tiveram a oportunidade de fazê-lo através do torque com o ambiente.

Quando duas galáxias de disco pobres em gás colidem, produzem um elíptico que não é semelhante ao disco. Quando duas galáxias de disco ricas em gás colidem, produzem um disco como a galáxia com uma protuberância.

Atualizar

Outra maneira de pensar sobre isso é considerar a razão entre o momento angular e a energia total. Através de choques, se houver gás, o sistema pode irradiar parte de sua energia, para que essa proporção se torne maior. Uma proporção alta normalmente corresponde a um sistema parecido com um disco.

É tudo sobre se o gás (ou qualquer outro objeto dinâmico) pode esfriar efetivamente enquanto entra em colapso. Se possível, você obtém um disco orientado perpendicularmente ao momento angular médio, enquanto, se não puder, obtém um objeto esférico.

Discos: galáxias espirais, discos de acreção de buracos negros, discos protoestelares

esferas: estrelas (densas o suficiente para serem opacas à radiação de resfriamento), aglomerados de estrelas e galáxias elípticas (as estrelas geralmente não colidem, portanto não podem esfriar), gás em aglomerados de galáxias (densidade tão baixa que os átomos não colidem com frequência suficiente para esfriar efetivamente)