Αστροφυσική, Διάστημα

Γιατί τα αστέρια και οι πλανήτες είναι σφαιρικοί αλλά οι γαλαξίες μοιάζουν με δίσκους;

Written by Δ.Μ.

Τα αστέρια και οι πλανήτες είναι σφαιρικά γιατί η βαρύτητα είναι ο βασικός παίκτης εδώ. Όσο μεγαλύτερο είναι το αντικείμενο, τόσο ισχυρότερο είναι το βαρυτικό του πεδίο. Εάν ένας πλανήτης ήταν σαν κύβος, οι γωνίες του κύβου θα ήταν υψηλότερες (σαν τα όρη) από τον υπόλοιπο πλανήτη.

Share

Τα αστέρια και οι πλανήτες είναι σφαιρικά γιατί η βαρύτητα είναι ο βασικός παίκτης εδώ. Όσο μεγαλύτερο είναι το αντικείμενο, τόσο ισχυρότερο είναι το βαρυτικό του πεδίο. Εάν ένας πλανήτης ήταν σαν κύβος, οι γωνίες του κύβου θα ήταν υψηλότερες (σαν τα όρη) από τον υπόλοιπο πλανήτη.

solar-system

Δεδομένου ότι οι πλανήτες και τα αστέρια είναι μεγάλα σώματα, δεν μπορείτε να χτίσετε ένα “θεμέλιο” αρκετά ισχυρό για να αντέξετε αυτές τις γωνίες! Οτιδήποτε σχήμα και αν το φτιάχνατε θα ήταν πολύ ασθενές για να συγκρατήσετε τις όποιες γωνίες. Η βαρύτητα θα τις τραβούσε τελικά προς τα μέσα.

Και επειδή η βαρύτητα τραβά την ύλη προς το κέντρο του πλανήτη ή του άστρου, τελικά όλα τραβιούνται για να σχηματίσουν μια σφαίρα. Ωστόσο, οι πλανήτες και τα αστέρια δεν είναι πραγματικά τέλειες σφαίρες. Περιστρέφονται, έτσι φουσκώνουν και λίγο γύρω από τον ισημερινό τους.

Γιατί τώρα οι γαλαξίες έχουν σχήμα δίσκου:

Εν ολίγοις, φταίει η διατήρηση της γωνιακής ορμής (στροφορμής). Ανεξάρτητα από το σχήμα από όπου ξεκινά ο γαλαξίας, όλα τα αστέρια του θα κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις και ταχύτητες. Συνολικά, μπορείτε να υπολογίσετε τη γωνιακή ορμή του γαλαξία αθροίζοντας όλες τις στροφορμές, και όπως λέει ο παρακάνω νόμος της φυσικής, αυτός ο αριθμός δεν μπορεί να αλλάξει εκτός εάν μια εξωτερική δύναμη ενεργεί πάνω στον γαλαξία.

Angular-Momentum

Ας σημειωθεί εδώ πως η γωνιακή ορμή είναι το μέτρο του πόσο γρήγορα περιστρέφεται κάτι σε σχέση με κάποιο σημείο. Στην περίπτωση ενός γαλαξία, ο ευκολότερος τρόπος μέτρησης της γωνιακής ορμής του είναι να ληφθούν οι ταχύτητες όλων των άστρων σε σχέση με το κέντρο μάζας του γαλαξία. Το σημαντικό μέρος είναι ότι η γωνιακή ορμή είναι διανυσματικό μέγεθος κάθετο προς την κατεύθυνση της κίνησης. Έτσι, μια περιστρεφόμενη κορυφή θα είχε τη γωνιακή ορμή της να δείχνει προς τα πάνω (ή προς τα κάτω, ανάλογα με την κατεύθυνση της περιστροφής).

Και λοιπόν, τι σχέση έχει η γωνιακή ορμή με το σχήμα ενός γαλαξία; Απλό, πραγματικά. Υπενθυμίζοντας ότι η ταχύτητα ενός αντικειμένου είναι ένα διάνυσμα, σε ένα νέφος σωματιδίων (ή αστέρια, στην περίπτωσή μας) μόνο η κάθετη συνιστώσα της ταχύτητας συμβάλλει στην γωνιακή ορμή. Αυτό συμβαίνει επειδή για κάθε σωματίδιο που έχει κάθετη συνιστώσα της ταχύτητας, αυτή η συνιστώσα θα αντισταθμίζεται από τη συνιστώσα οποιοδήποτε άλλων σωματιδίων που κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Τελικά, αυτό που συμβαίνει είναι ότι τα κάθετα κινούμενα αστέρια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και αλληλο-εξουδετερώνουν την ταχύτητα τους, μέσω συγκρούσεων  που επιβραδύνουν και τα δύο αστέρια, αλλά η συνδυασμένη ταχύτητα περιστροφής τους παραμένει σταθερή. Με την πάροδο του χρόνου, αυτή τείνει να επιπεδώσει τη σφαίρα προς ένα δίσκο.

Συμπλήρωση

Η βασική απάντηση στην ερώτηση όπως είπαμε είναι η διατήρηση της γωνιακής ορμής. Ακόμα κι αν υποθέσετε ότι κατά τη στιγμή του big bang δεν υπήρχε καθαρή γωνιακή ορμή στο σύμπαν, θα περίμενε κανείς ότι υπήρχαν τοπικές διακυμάνσεις. Όταν οι γαλαξίες αρχικά σχηματίστηκαν κάτω από βαρυτική έλξη, αυτά τα καθαρά τοπικά ποσά γωνιακής ορμής διατηρήθηκαν. Και αφού η γωνιακή ορμή διατηρείται, όταν η αρχική συλλογή αστεριών και αερίου σε έναν γαλαξιακό όγκο αρχίζει να καταρρέει, η καθαρή γωνιακή ορμή πρέπει να παραμείνει η ίδια.

Από τη γωνιακή ορμή lmr για μία δεδομένη ταχύτητα V είναι ευκολότερο να διατηρηθεί η γωνιακή ορμή L αν η ακτίνα r είναι μεγάλη. Στην κάθετη  κατεύθυνση (κατά μήκος του άξονα της τυχαίας γωνιακής ορμής) δεν υπάρχει τέτοιο εμπόδιο για την κατάρρευση και έτσι η όποια συλλογή μάζας αποδεικνύεται ότι έχει σχήμα δίσκου.

Μια εναλλακτική εξήγηση είναι:

Οι γαλαξίες έχουν σχήμα δίσκου επειδή είναι πλούσιοι σε αέρια και δυναμικά νέοι . Τα αστέρια είναι επίσης πλούσια σε αέρια αλλά είναι δυναμικά παλιά, έτσι είχαν χρόνο να απαλλαγούν από τους δίσκους τους. Τα νεαρά πρωτο-αστέρια (που είναι δυναμικά νεαρά) περιβάλλονται από πρωτο-αστρικούς δίσκους. Ο λόγος για τον οποίο πολλά νεαρά αντικείμενα πλούσια σε αέριο έχουν σχήμα δίσκου οφείλεται στο γεγονός ότι οι κυκλικές τροχιές είναι συμβατές χωρίς διασταύρωση τροχιάς, άρα δεν υπάρχουν κρούσεις. Με κάποια έννοια, πολλά νεαρά αστρονομικά αντικείμενα έχουν σχήμα δίσκου επειδή περιέχουν αέριο που μπορεί να κάνει μη κυκλική κίνηση.

Αλλά ένας δίσκος δεν είναι η πιο πιθανή κατάσταση ενός συστήματος βαρύτητας: καθώς ο χρόνος περνάει, η στρέψη, η αστάθεια ή οι ιξώδεις διεργασίες, θα τείνουν να φέρουν το σύστημα προς μια πιο πιθανή συμπαγή κατάσταση, όπου η μάζα ρέει προς τα μέσα και η γωνιακή ορμή προς τα έξω. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι πρωτο-αστρικοί δίσκοι γίνονται αστέρια. Οι γαλαξίες από την άλλη πλευρά δεν είχαν χρόνο να μετατραπούν σε γιγάντιες μαύρες τρύπες, ή δεν τους δόθηκε η ευκαιρία να το κάνουν μέσω στρέψης με το περιβάλλον τους.

disk-galaxy

Όταν δύο δισκοειδείς γαλαξίες φτωχοί σε αέρια συγκρούονται παράγουν ένα ελλειπτικό που δεν μοιάζει με δίσκο. Όταν δύο δισκοειδείς γαλαξίες πλούσιοι σε αέριο συγκρούονται, παράγουν ένα δισκοειδή γαλαξία με μία κεντρική διόγκωση.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share