为什么星系呈圆盘状？

我总是在图片中看到“圆盘”形状的星系。就像在平面上有旋转运动一样，该系统由引力平衡，该引力可防止恒星从星系中跳出。这背后的物理原因是什么？我从未见过圆盘状的星星。就像银河系一样，恒星不过是一个绕轴旋转的小得多的非固体质量。大小重要吗？有什么区别？为什么典型的星系不是球形而是圆盘形？

螺旋星系可能是最常见的描绘，可能是因为我们发现自己合而为一，但是，星系有许多大小和形状。维基百科有关银河形态分类的页面介绍了最常见的分类。

回答标题上的问题：

您的问题的基本答案是角动量守恒。天文学家对此问题一直很感兴趣，并且仍在撰写有关该主题的论文。即使您假设发生大爆炸时，宇宙中也没有净角动量，但人们还是会认为存在局部波动。当最初由重力吸引形成星系时，这些净局部量仍然存在。现在，角动量得以保留，因此当一个银河体积中的恒星和气体的初始收集开始崩溃时，净角动量必须保持不变。由于角动量，对于给定$\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$$v$如果r大，则更易于保存在正交方向（沿意外角动量的轴）上，没有这种塌缩的阻碍，因此，该收集物变成了盘状。顺便说一下，已经有大量关于斯隆数字天空调查得出的大量星系的净角动量的研究，其答案非常接近但不是零。敬请关注。$L$$r$

摘自凤凰城大学物理系文章

星系的质量（主要是暗物质的形式）处于大致球形的斑点中。因此，如果您观察质量，则银河系不是圆盘，而是球体。但是暗物质是看不见的，我们可以看到的东西（星星，气体等）都在磁盘中。

暗物质和正常物质行为不同的原因是，当气体流动时会产生“摩擦”（暗物质不会与自身或正常物质相互作用）。这导致气体变热，然后释放出热能（如红外线，光等），这意味着随着时间的流逝，银河系中的气体将趋于下降到较低水平。但是气体也具有角动量（正在旋转），并且角动量必须守恒（不能像能量一样被辐射掉）。因此，气体将试图落入可以保持角动量的低能量配置。实现此目的的形状是光盘。

任何不在圆盘平面内旋转的气体云都将撞击它，随着时间的流逝，它们将被拉入同一张圆盘中。

气体云产生恒星，因此大多数恒星也将位于圆盘的平面中。然而，可以在圆盘周围以球形模式发现球状星团中非常古老的星团。

因此，星系形成圆盘形状，因为形成恒星的气体会落入圆盘形状。

但是，并非所有星系都是圆盘。当圆盘状星系碰撞时，这可能会干扰恒星的轨道，您会得到一个呈“斑点”形的星系，这些星系称为椭圆形星系，并且非常常见。小型星系通常也没有圆盘结构。这些被称为不规则星系。

星系呈圆盘状，因为它们富含气体且充满活力。恒星也富含气体，但它们的生命力很强，因此他们有时间摆脱它们的圆盘。年轻的原恒星（处于动态年轻状态）被原恒星圆盘包围。许多年轻的富含气体的物体呈圆盘状的原因必须是这样的事实，即圆形轨道不与轨道交叉兼容，因此不会产生冲击。从某种意义上说，许多年轻的天文物体是盘状的，因为它们包含可以散发非圆周运动的气体。

但是圆盘并不是重力系统最可能的状态：给定时间，扭力，不稳定性或粘性过程，圆盘会趋向于更紧凑的状态，即质量向内流动，角动量向外。这就是为什么原星盘成为恒星的原因。另一方面，星系还没有时间将自己变成巨大的黑洞，或者没有机会通过扭转环境来这样做。

当两个气体不足的圆盘星系碰撞时，它们会产生一个椭圆形的椭圆形，而不像圆盘一样。当两个富含气体的盘状星系碰撞时，它们会产生一个像银河一样带有凸起的盘状。

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考虑这一点的另一种方法是考虑角动量与总能量之比。通过冲击，如果存在气体，系统可以辐射掉其一些能量，从而使该比例变大。高比率通常对应于盘状系统。

关键在于气体（或任何其他动态物体）在塌陷时能否有效冷却。如果可以，则得到的磁盘垂直于平均角动量，而如果不能，则得到的是球形物体。

磁盘：旋涡星系，黑洞积垢盘，原恒星盘

球体：恒星（密度高到对冷却辐射不透明），恒星团和椭圆星系（恒星通常不会碰撞，因此无法冷却），星系团中的气体（密度太低以至于原子不会经常碰撞到有效冷却）