Warum gibt es keine sphärischen Galaxien?

Diese ganze Frage ist eine falsche Prämisse. Es gibt kugelförmige (oder zumindest nahezu kugelförmige) Galaxien! Sie fallen in zwei grundlegende Kategorien – die elliptischen Galaxien, die eine pseudosphärische Form haben, und die viel kleineren, sogenannten „sphäroidischen Zwerggalaxien“ , die mit unserer eigenen Galaxie und anderen großen Galaxien in der „Lokalen Gruppe“ in Verbindung gebracht werden.

Wenn Sie eine Galaxie am Himmel betrachten, ist dies natürlich nur eine zweidimensionale Projektion der wahren Verteilung, aber man kann immer noch die (ungefähre) Sphärizität aus der Oberflächenhelligkeitsverteilung und der großen Sichtliniengeschwindigkeitsverteilung für viele Ellipsen und Zwergkugeln ableiten .

Kugelförmige Zwerggalaxien könnten tatsächlich die häufigste Art von Galaxien im Universum sein.

Diese Galaxien sind ungefähr kugelförmig, weil sich die Sterne auf Umlaufbahnen mit ziemlich zufälligen Orientierungen bewegen, viele auf fast radialen (hochgradig exzentrischen) Umlaufbahnen ohne stark bevorzugte Achsen. Die Geschwindigkeitsstreuung ist normalerweise viel größer als jede Rotationssignatur.

Es gibt eine ausgezeichnete Antwort auf eine verwandte Frage unter Warum bilden die Galaxien 2D-Ebenen (oder spiralförmig) anstelle von 3D-Kugeln (oder kugelförmig)?

Hübsche Bilder: UK Schmidt-Bild der sphäroidischen Zwerggalaxie Sculptor (Credit: David Malin, AAO)

Die elliptische E0-Galaxie M89 (Quelle: Sloan Digitized Sky Survey).

Details: Ich habe ein paar Veröffentlichungen gefunden, die dem Argument, dass viele elliptische Galaxien nahezu kugelförmig sind, mehr Gewicht verleihen. Diese Arbeiten stammen von Rodriquez & Padilla (2013) und Weijmans et al. (2014) . Beide Arbeiten betrachten die Verteilung der scheinbaren Elliptizitäten von Galaxien im „Galaxy Zoo“ bzw. im Sloan Digitized Sky Survey. Dann kehren sie diese Verteilung mit einem statistischen Modell und unter verschiedenen Annahmen (darunter, dass Galaxien zufällig ausgerichtet sind) um, um die Verteilung der wahren Elliptizität zu erhalten$\epsilon = 1- B/A$und ein oblate/prolate-Parameter$\gamma = C/A$, wo die drei Achsen des Ellipsoids liegen$A\geq B \geq C$. Das heißt, es ist unmöglich zu sagen, ob eine kreisförmig aussehende einzelne Galaxie, die in Projektion gesehen wird, kugelförmig ist, aber Sie können etwas über die Verteilung von 3D-Formen sagen, wenn Sie eine große Probe haben.

Rodriguez & Padilla kommen zu dem Schluss, dass der Mittelwert von$\epsilon$ist 0,12 mit einer Streuung von etwa 0,1 (siehe Bild unten), während$\gamma$hat einen Mittelwert von 0,58 mit einer breiteren (Gaußschen) Streuung von 0,16, die den gesamten Bereich von null bis 1 abdeckt$C/A$muss kleiner sein als$B/A$Per Definition bedeutet dies, dass viele elliptische Galaxien sehr kugelförmig sein müssen (man kann nicht sagen, dass irgendetwas genau kugelförmig ist), obwohl die "durchschnittliche elliptische" Galaxie das natürlich nicht ist.

Dieses Bild zeigt die beobachtete Verteilung von 2D-Elliptizitäten für eine große Auswahl von Spiral- und elliptischen Galaxien. Die Linien sind das, was Sie anhand der 3D-Formverteilungen im Papier vorhersagen würden.

Dieses Bild von Rodriguez und Padilla zeigt die abgeleiteten wahren Verteilungen von$\epsilon$und$\gamma$. Die durchgezogene rote Linie repräsentiert Ellipsentrainer. Mittelwerte der Verteilungen sind mit vertikalen Linien dargestellt. Beachten Sie, dass die gepunktete Linie für Spiralen viel kleiner ist$\gamma$Wert - weil sie abgeflacht sind.

Weijmans et al. (2014) führen ähnliche Analysen durch, aber sie teilen ihre elliptische Stichprobe in solche auf, die Hinweise auf eine signifikante systematische Rotation haben, und solche, die dies nicht tun. Wie zu erwarten, sehen die rotierenden eher abgeflacht und "abgeflacht" aus. Die langsam rotierenden können auch als abgeflachte Galaxien modelliert werden, obwohl sie eher "dreiachsig" sind. Die langsamen Rotatoren haben einen Durchschnitt$\epsilon$von etwa 0,15 und durchschnittlich$\gamma$von etwa 0,6 (in guter Übereinstimmung mit Rodriguez & Padilla), aber die Proben sind viel kleiner.

Tatsächlich gibt es Teile einer Galaxie, die sich über die galaktische Ebene hinaus erstrecken:

• Galaktischer Halo : Dies ist eigentlich der primäre Teil einer Galaxie, die sich nicht in der galaktischen Hauptscheibe befindet. Es besteht aus mehreren Abschnitten und besteht aus einem Array von Objekten.

  • Halo aus dunkler Materie : Dies ist ein Teil der dunklen Materie der Galaxie, der in halbkugelförmiger Form vorliegt. Wir können die Größe und Form des Halo (obwohl er normalerweise kugelförmig ist) durch seine Auswirkungen auf die großräumige Bewegung von Sternen herausfinden.

  • Galaktischer Sphäroid : Dies ist eine Region nahe dem Zentrum der Galaxie, die aus Sternen mit ungeraden Umlaufbahnen besteht. Ich halte sie für eine Art Kometen im Kuipergürtel, die seltsamen 3D-Umlaufbahnen folgen. Die Sterne könnten durch das zentrale Schwarze Loch in der Galaxie gestört worden sein – in unserem Fall Sagittarius A*.

  • Galaktische Korona : Gas- und Staubteilchen, die unregelmäßigen Bahnen durch die Galaxie folgen. Sie interagieren mit Materie innerhalb der galaktischen Scheibe und schwingen dabei herum.

• Galaktische Ausbuchtung : Dies ist der zentrale Teil der Galaxie, um das zentrale supermassereiche Schwarze Loch herum. Sie bestehen aus Gas, Sternen und Staub.
• Sternstrom : Eine Reihe von Sternen, die gravitativ mit einem anderen Objekt interagiert haben. Sie könnten die Überreste einer Zwerggalaxie sein.

Ich führe diese als Beispiele auf, um zu zeigen, dass nicht alle Objekte in der galaktischen Ebene bleiben. Die anderen Antworten sollten Ihnen eine Vorstellung davon geben, warum die meisten Objekte in der Ebene bleiben.

Alle Materie in der Galaxie muss sich drehen (nicht unbedingt in die gleiche Richtung), damit eine Zentrifugalkraft wirkt. Ohne die Zentrifugalkraft wird die gesamte in der Galaxie enthaltene Materie aufgrund der Gravitation in das Zentrum der Galaxie einstürzen. Die Drehung erfolgt um eine Achse, eine Linie, um die sich alle Materie in der Galaxie dreht. Nun, die Art und Weise, in der sich die gesamte Materie um diese Achse dreht, ist planar. Warum ist es eben und warum muss es sich nur um eine Achse drehen? Die Antwort auf diese Frage wird diesen Zweifel entscheidend ausräumen.

Aber wie behält die planare Galaxie ihre Planarität für Milliarden von Jahren?

Stellen wir uns vor, eine planare Galaxie hat einige Körper, die sich nicht um die Zentralachse drehen und eine eigene Rotationsachse haben. In jeder Richtung senkrecht zu dieser Achse verhindert die Zentrifugalkraft, dass der Körper in das Zentrum der Galaxie einstürzt. In jeder Richtung parallel zu dieser Achse gibt es jedoch keine solche Zentrifugalkraft; aber es gibt eine Komponente der Gravitationskraft von der Materie, die in der darunter liegenden planaren Galaxie enthalten ist. Diese Komponente der Gravitationskraft zieht den Körper weiter in Richtung des Flugzeugs, und es gibt keine Kraft, die ihn aufhält. Somit wird sogar dieser Körper schließlich der galaktischen Ebene beitreten. Alle diese Randkörper, die der galaktischen Ebene nicht gehorchen, werden von der Schwerkraft angezogen, um sich schließlich der Ebene anzuschließen. Daher schafft es die Galaxie, die Planarität aufrechtzuerhalten.

Wie Rob Jeffries betonte, gibt es Galaxien mit sphärischen und anderen dreidimensionalen Formen. Dort jedoch, da es keine vorher existierende Rotationsebene gibt, bewirkt nichts, dass die Materie in eine Ebene kollabiert. Daher behalten diese Galaxien ihre dreidimensionale Form.

Dies ist auf die kombinierte Wirkung von Rotation und "Ableitung" zurückzuführen. Eine rotierende Gaswolke besteht aus Teilchen, die auf relativ kurzen Zeitskalen stark miteinander wechselwirken (physisch kollidieren) und einen Teil ihrer Energie und ihres Impulses durch die Emission von Photonen abstrahlen können. Aus diesen beiden Gründen kollabiert eine dichte Wolke aus rotierendem Gas, um eine rotierende Scheibe zu bilden. Aber es gibt einige Sternsysteme, die ziemlich kugelförmig bleiben, sie werden Kugelsternhaufen genannt.

Wenn andererseits das Gas in einer Wolke sehr schnell Sterne bildet, so dass die Teilchen darin eher Sterne als Atome sind, dann interagieren diese stellaren "Teilchen" auf kurzen Zeitskalen nicht stark (zum Beispiel die Zeit zwischen direkten Kollisionen für ein Stern in einem Kugelsternhaufen ist >$10^{10}$Jahren und Kugelsternhaufen sind ziemlich kugelförmig) können ihre Energie und ihren Impuls nicht durch Emission von Photonen abstrahlen; Sie können Gravitationsstrahlung aussenden, aber das ist nicht so effektiv

Aus diesen Gründen bleibt ein kugelförmiger Sternhaufen sehr lange kugelförmig; viel länger als das gegenwärtige Alter des Universums.

Sie haben elliptische Galaxien erwähnt , die in den anderen Antworten nicht angesprochen wurden.

Im Gegensatz zu Ihrer Aussage, dass die Galaxien 2D sind, sind elliptische Galaxien "dreidimensional" in dem Sinne, dass die Sterne nicht auf eine Ebene beschränkt sind; Man könnte sie sich als „eiförmig“ vorstellen.

Warum sind elliptische Galaxien also nicht auf eine Ebene beschränkt? Hauptsächlich, weil sie (normalerweise) einen geringen Drehimpuls haben, dh sie drehen sich nicht zu schnell um eine Achse, sodass die Argumentation in Simhas Antwort nicht mehr gilt.

Es ist auch erwähnenswert, dass dies nicht bedeutet, dass es keine Drehbewegung gibt. Die Galaxie als Ganzes muss sich nicht um eine Achse drehen, aber die Sterne innerhalb der Galaxie werden es tun. Die Sterne bewegen sich alle ziemlich willkürlich innerhalb der elliptischen Galaxie, sodass der Nettodrehimpuls nahe Null ist.

Im Gegensatz zu einer Spiralgalaxie hat die Galaxie als Ganzes einen sehr bestimmten Drehimpuls, so dass sich der Stern zusätzlich zur Eigengeschwindigkeit des Sterns (oft als Eigengeschwindigkeit bezeichnet ) um das galaktische Zentrum in der gleichen Richtung wie seine Nachbarn dreht , und tatsächlich jeder andere Stern in der Galaxie.