Pourquoi les galaxies sont-elles en forme de disque?

Je vois toujours des galaxies en forme de "disque" sur les photos. C'est comme, il y a un mouvement de rotation sur un plan et le système est équilibré par la force gravitationnelle de traction qui empêche les étoiles de sauter hors de la galaxie. Quelle est la raison physique derrière cela? Je n'ai jamais vu d'étoile en forme de disque. Une étoile n'est rien d'autre qu'une masse non solide beaucoup plus petite tournant autour d'un axe, tout comme les galaxies. La taille est-elle importante? Qu'est-ce qui fait la différence? Pourquoi une galaxie typique ne se forme-t-elle pas en forme sphérique plutôt qu'en forme de disque?

Les galaxies en spirale sont peut-être les plus représentées probablement parce que nous nous trouvons dans une, cependant, les galaxies se présentent sous de nombreuses tailles et formes. La page de Wikipedia sur la classification morphologique de Galaxy explique les classifications les plus courantes.

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La réponse de base à votre question est la conservation de l'élan angulaire. Les astronomes s'intéressent à cette question depuis longtemps et rédigent toujours des articles sur le sujet. Même si vous supposez qu'au moment du big bang il n'y avait pas de moment angulaire net dans l'univers, on pourrait s'attendre à des fluctuations locales. Lorsque les galaxies se sont initialement formées par attraction gravitationnelle, ces quantités locales nettes sont restées. Maintenant, la quantité de mouvement angulaire est conservée, donc lorsque la collection initiale d'étoiles et de gaz dans un volume galactique commence à s'effondrer, la quantité de mouvement angulaire nette doit rester la même. Depuis le moment angulaire , pour un v donné$\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$$v$il est plus facile de conserver si le r est grand. Dans la direction orthogonale (le long de l'axe du moment angulaire accidentel), il n'y a pas un tel obstacle à l'effondrement et la collection se révèle donc être en forme de disque. Soit dit en passant, il y a eu plusieurs études sur l'impulsion angulaire nette d'une grande collection de galaxies provenant du Sloan Digital Sky Survey et la réponse est assez proche mais pas tout à fait nulle. Restez à l'écoute.$L$$r$

Extrait d'un article du Département de physique de l' Université de Phoenix

La masse de la galaxie (principalement sous forme de matière noire) se trouve dans une goutte grossièrement sphérique. Donc, si vous regardez la masse, la galaxie n'est pas un disque, c'est un sphéroïde. Mais la matière noire est invisible, et ce que nous pouvons voir (étoiles, gaz, etc.) est dans un disque.

La raison pour laquelle la matière noire et la matière normale se comportent différemment est que lorsque le gaz circule, il y a "friction" (la matière noire n'interagit pas avec elle-même ou avec la matière normale). Cela fait chauffer le gaz, et cette énergie thermique est ensuite libérée (sous forme infrarouge, lumière, etc.) Cela signifie qu'avec le temps, le gaz dans la galaxie aura tendance à tomber à un niveau inférieur. Cependant, le gaz a également un moment angulaire (il tourne), et le moment angulaire doit être conservé (il ne peut pas être rayonné comme l'énergie). Ainsi, le gaz tentera de tomber dans une configuration à faible énergie qui peut maintenir l'élan angulaire. La forme qui y parvient est un disque.

Tous les nuages ​​de gaz qui ne sont pas en orbite dans le plan du disque le heurteront et, avec le temps, ils seront attirés sur le même disque.

Les nuages ​​de gaz produisent des étoiles, et donc la plupart des étoiles seront également dans le plan du disque. De très vieilles grappes d'étoiles en grappes globulaires peuvent cependant être trouvées dans un motif sphérique autour du disque.

Les galaxies forment donc des disques car le gaz qui fait les étoiles tombe en forme de disque.

Cependant, toutes les galaxies ne sont pas des disques. Lorsque des galaxies en forme de disque entrent en collision, cela peut perturber les orbites des étoiles, et vous obtenez une galaxie qui est en forme de "goutte", elles sont appelées galaxies elliptiques et sont très courantes. Les petites galaxies n'ont souvent pas non plus de structure de disque. Celles-ci sont appelées galaxies irrégulières.

Les galaxies sont en forme de disque car elles sont riches en gaz et jeunes dynamiquement. Les étoiles sont également riches en gaz, mais elles sont vieilles dynamiquement et ont donc eu le temps de se débarrasser de leurs disques. Les jeunes protostars (qui sont jeunes dynamiquement) sont entourés de disques proto-stellaires. La raison pour laquelle de nombreux jeunes objets riches en gaz sont en forme de disque est due au fait que les orbites circulaires sont compatibles sans croisement d'orbite, donc sans chocs. Dans un certain sens, de nombreux jeunes objets astronomiques sont en forme de disque car ils contiennent du gaz (ed) qui peut émettre un mouvement non circulaire.

Mais un disque n'est pas l'état le plus probable d'un système gravitationnel: avec le temps, le couple, les instabilités ou les processus visqueux, il tendra vers un état compact plus probable, où la masse circule vers l'intérieur et l'élan angulaire vers l'extérieur. C'est pourquoi les disques proto-stellaires deviennent des étoiles. Les galaxies, en revanche, n'ont pas eu le temps de se transformer en gigantesques trous noirs, ou n'ont pas eu l'occasion de le faire en se resserrant avec leur environnement.

Lorsque deux galaxies à disques pauvres en gaz entrent en collision, elles produisent un elliptique qui n'est pas semblable à un disque. Lorsque deux galaxies à disques riches en gaz entrent en collision, elles produisent un disque semblable à une galaxie avec un renflement.

Mise à jour

Une autre façon de penser à cela est de considérer le rapport de la quantité de mouvement angulaire à l'énergie totale. Par des chocs, si du gaz est présent, le système peut émettre une partie de son énergie afin que ce rapport devienne plus grand. Un rapport élevé correspond généralement à un système de type disque.

Il s'agit de savoir si le gaz (ou tout autre objet dynamique) peut refroidir efficacement tout en s'effondrant. Si c'est le cas, vous obtenez un disque orienté perpendiculairement au moment angulaire moyen, alors que si ce n'est pas le cas, vous obtenez un objet sphérique.

Disques: galaxies spirales, disques d'accrétion de trous noirs, disques protostellaires

sphères: étoiles (suffisamment denses pour être opaques aux radiations de refroidissement), amas d'étoiles et galaxies elliptiques (les étoiles ne se heurtent généralement pas, donc ne peuvent pas se refroidir), gaz dans les amas de galaxies (si faible densité que les atomes ne se heurtent pas assez souvent pour refroidir efficacement)