Warum bilden die Galaxien 2D-Ebenen (oder spiralförmig) anstelle von 3D-Kugeln (oder kugelförmig)?

Kurze Antwort: Eine Spiralgalaxie ist tatsächlich kugelförmig.

Um zu verstehen, wie das geht, schauen wir uns als Ausgangspunkt Wikipedias Skizze der Struktur einer Spiralgalaxie an:

Eine Spiralgalaxie besteht aus einer Scheibe, die in einen kugelförmigen Halo eingebettet ist. Die Galaxie rotiert um eine Achse durch das Zentrum, parallel zum BSP$\leftrightarrow$GSP-Achse im Bild. Der kugelförmige Halo besteht hauptsächlich aus Dunkler Materie (DM), und das DM macht es aus$\sim90\%$der Masse der Milchstraße. Dynamisch ist es die DM, die, ähm, zählt. Und DM wird sich immer in einer Ellipsoidkonfiguration anordnen.

Die Frage müsste also eher lauten: Warum gibt es überhaupt eine Scheibe , warum ist die Galaxie nicht nur eine Ellipse? Der Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage liegt im Gasgehalt einer Galaxie.

Sowohl Sterne als auch Teilchen der Dunklen Materie – was auch immer sie sind – sind kollisionsfrei ; sie interagieren nur durch die Schwerkraft miteinander. Kollisionslose Systeme neigen dazu, sphäroide oder ellipsoide Systeme zu bilden, wie wir es von elliptischen Galaxien, Kugelsternhaufen usw. gewohnt sind; Allen gemeinsam ist die Eigenschaft, dass sie sehr gasarm sind.

Bei Gas ist das anders: Gasmoleküle können kollidieren , und das ständig. Diese Stöße können Energie und Drehimpuls übertragen. Die Energie kann in andere Arten von Energie umgewandelt werden, die durch Strahlung, galaktische Winde usw. entweichen kann, und wenn Energie entweicht, kühlt sich das Gas ab und sinkt in eine niedrigere Energiekonfiguration. Der Drehimpuls des Gases ist jedoch schwieriger aus der Galaxie heraus zu übertragen, sodass dieser mehr oder weniger erhalten bleibt. Das Ergebnis – ein Kollisionssystem mit niedriger Energie, aber relativ hohem Drehimpuls – ist die typische dünne Scheibe einer Spiralgalaxie. (Etwas Ähnliches, aber nicht vollkommen Analoges passiert bei der Bildung protoplanetarer Scheiben).

Sterne kollidieren auch nicht, also sollten sie theoretisch auch eine Ellipsoidform bilden. Und einige tun es tatsächlich: die Halo-Sterne , einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Kugelsternhaufen. Dies sind alles sehr alte Sterne, die entstanden sind, als sich das Gas der Galaxie noch nicht in der Scheibe niedergelassen hatte (oder für einige wenige in der Scheibe entstanden, aber später aufgrund von Gravitationsstörungen ausgestoßen wurden). Aber die große Mehrheit der Sterne wird im Gas gebildet, nachdem es sich in der Scheibe niedergelassen hat , und daher wird die große Mehrheit der Sterne in derselben Scheibe gefunden.

Elliptische Galaxien

Warum gibt es überhaupt elliptische Galaxien? Elliptische Galaxien sind typischerweise sehr gasarm, daher spielt die Gasdynamik in diesen keine Rolle, sie sind eher ein klassisches gravitatives Vielteilchensystem wie ein DM-Halo. Das Gas wird aus diesen Galaxien aufgrund vieler verschiedener Prozesse wie Sternentstehung, Kollisionen mit anderen Galaxien (die ziemlich häufig sind), Gasausstoß aufgrund von Strahlungsdruck aus stark sternbildenden Regionen, Supernovae oder Quasare usw. usw. – viele sind die Wege für eine Galaxie, ihr Gas zu verlieren. Wenn kollidierende Galaxien ausreichend gasarm sind (und die Kollision zu einer Verschmelzung führt), hat die resultierende Galaxie kein Gas, das sich in einer Scheibe absetzen kann, und die kinetische Energie der Sterne in der neuen Galaxie wird tendenziell zufällig verteilt aufgrund der chaotischen Natur der Interaktion.

(Dieses Bild ist vereinfacht, da das ganze Geschäft mit der galaktischen Dynamik ziemlich haarig ist, aber ich hoffe, dass es die Grundlagen richtig und mehr oder weniger verständlich macht).

Nur um die ansonsten hervorragende Antwort von Triveth zu ergänzen. Die Entstehung elliptischer Galaxien lässt er noch ungeklärt, dh wie bekommen die Sterne die Kugelform? Schließlich bilden sich die meisten Sterne aus Gas und Gas neigt dazu, sich in Scheiben abzulagern, warum also sind die Sterne in elliptischen Galaxien in einer kugelförmigen Verteilung, aber in Spiralgalaxien in einer scheibenartigen Verteilung?

Die gängige Meinung ist, dass elliptische Galaxien aus der Verschmelzung von zwei oder mehreren kleineren Spiralgalaxien entstanden sind. Bei solchen Verschmelzungen bedeutet die kollisionsfreie Natur der Sterne, dass sie nicht in einer Scheibe verbleiben. Vielmehr wird Energie aus der Umlaufbahn der Vorläufergalaxien in innere Energie umgewandelt (die nicht wie bei Gasscheiben abgestrahlt werden kann), wodurch die Sternverteilungen weg von ihrem nahezu minimalen Energiezustand (bei gegebenem Drehimpuls), dh weg von einer Scheibe, entwickelt werden . Darüber hinaus verteilt die Wechselwirkung zwischen den beiden Galaxien die einzelnen stellaren Bahndrehimpulse und ihre Orientierungen neu, sodass sie nicht mehr korreliert sind (wie in einer Scheibe).

Ein ganz anderes Schicksal erfährt das Gas bei einer Fusion. Es kollidiert und erschüttert, kühlt dann ab und bildet Sterne oder wird auf die zentralen supermassiven Schwarzen Löcher geschleudert, wo es einen Quasar anmachen kann. Energie- und Impuls-Feedback sowohl des Quasars als auch der Supernovae, die aus neugeborenen massereichen Sternen resultieren, sind gut in der Lage, das gesamte verbleibende Gas auszutreiben und die Galaxie gasarm zu machen. Einige elliptische Galaxien haben noch eine kleine Gasscheibe und es gibt auch Zwischengalaxien, sogenannte S0-Galaxien mit einer klaren Scheibe und einer beträchtlichen sphäroidischen Komponente.

Dies ist auf Spinnkräfte wie Zentrifugalkraft zurückzuführen. Denken Sie daran, dass sich Galaxien (zumindest die regulären) aus der Rotation von Materie um einen Galaxienkern bilden.

Du liegst also nicht falsch. Die Schwerkraft ist isotrop, aber in diesen Fällen sind die Rotationskräfte die Definition für die Galaxienform.