La gravedad tiene simetría esférica. ¿Por qué las galaxias y los sistemas estelares tienen una forma casi plana?

La gravedad atrae, pero los objetos también tienen un momento angular que conduce a la velocidad de rotación :

Velocidad de rotación de la Vía Láctea

La Vía Láctea, por ejemplo, gira con una velocidad de 200 a 300 km / s.

Entonces, en lugar de unirse en masa en una esfera de materia cada vez más densa, se dispersa sobre un plano debido al momento angular que conduce a varias formas de galaxias, es decir, espiral / barrada / elíptica / lenticular / irregular, etc.

Los objetos como la Tierra ni siquiera son propiamente esféricos, sino que son esferoides oblatos, donde hay una variación en la circunferencia en los polos en comparación con el ecuador que conduce a una esfera ligeramente abultada.

Espero que esto ayude.

Con la gravedad que posee simetría esférica, ¿por qué las galaxias y los sistemas estelares parecen tener forma plana?

Para abordar esta pregunta sin compromiso, hipotetizaré que las primeras etapas formativas de cualquier planeta o sistema planetario, o galaxia, deben haberlo hecho girar al azar sobre varios ejes en lugar de uniformemente sobre un solo eje como se observó hoy.

Esto parece más plausible después de un evento caótico como el Big Bang.

Por lo tanto, examinemos, digamos, un solo planeta en su etapa formativa temprana y cómo las fuerzas relevantes comenzaron a moldearlo hasta el punto de lo que se observa actualmente.

Con las leyes de la gravedad en pleno juego, este planeta habría generado aleatoriamente sobre varios ejes.

Considere que cualquier eje de rotación en particular tiene fuerzas centrífugas (momento angular) y centrípetas (gravedad) en equilibrio, dejando solo el momento angular tangencialmente dirigido que mantiene el giro de la masa a una velocidad angular uniforme alrededor del centro.

Por lo tanto, para cualquiera de tales rotaciones sobre un solo eje, existirá una rotación contraria exacta (en sentido horario versus antihorario) para detenerlo en seco.

Pero también existirían otras rotaciones de contador cuyos vectores o cantidades escalares no se oponen perfectamente, pero crean los efectos de contador resultantes de todos modos.

La implicación general, por lo tanto, es que la existencia de rotaciones aleatorias sobre diferentes ejes, tendría fuerzas rotacionales opuestas que se cancelarían.

Las rotaciones aleatorias a lo largo del tiempo tenderán hacia una rotación única neta sobre un eje único neto a una velocidad angular neta.

Si esta hipótesis es correcta, imagino que el efecto de estas cancelaciones aún debería ser observable, suponiendo, por supuesto, que estas cancelaciones, que son una función de grandes duraciones de tiempo, aún no se han cumplido por completo. Efectos como la observación de cambios de minutos a lo largo del tiempo, en el eje de rotación del planeta tierra, lo que sugiere que, de hecho, existen otros movimientos de rotación de minutos sobre otros ejes.

Varias respuestas señalan que algo que está girando será más plano. Sin embargo, esto debería llevar a la pregunta de por qué está girando y por qué en ese plano en particular.

Supongamos que tiene un montón de cosas, digamos un montón de estrellas o polvo o lo que sea y está gravitacionalmente unido. Si no está gravitacionalmente ligado, se va volando y no nos importan esas cosas.

No, para estas cosas, hay un centro de gravedad y cada objeto siente la fuerza de gravedad en la dirección hacia ese centro de gravedad. Un objeto que no se mueve tangencialmente a ese centro de gravedad simplemente caerá directamente en ese centro de gravedad. Dependiendo de la cantidad de masa que se acumula en ese centro y del tamaño del objeto, puede caerse y atascarse en el centro. No nos importan esos objetos.

Para todo lo demás, será arrastrado hacia el centro de gravedad (que puede estar cambiando) pero compensado por su movimiento tangencial. Este objeto puede entrar en una órbita alrededor del centro de gravedad (simplificación general) y puede toparse con otro objeto o seguir orbitando. A menos que el movimiento tangencial sea el movimiento correcto, la órbita será una elipse (de nuevo, ignorando la gravedad cambiante por ahora).

Al principio, supongamos que todo se coloca al azar y se mueve en órbitas aleatorias. El momento angular en tres dimensiones es un vector: tiene una magnitud y una dirección. Entonces, en cualquier momento, podrías calcular el momento angular de cada objeto, multiplicar su masa y sumarlos. A menos que sea increíblemente correcto, esto no suma exactamente cero. Entonces, la suma del momento angular para todo el sistema tiene una magnitud y una dirección. Esta suma no puede cambiar. y dado que hay una dirección del vector, hay un plano perpendicular a ese vector.

De vez en cuando, los objetos chocan, pero su momento angular total permanece constante. Si un objeto viene en un ángulo desde arriba del plano y otro objeto desde ese mismo ángulo desde debajo del plano y se unen, el nuevo objeto ahora tendrá una órbita en el plano. De esta manera, los objetos que no están orbitando en el plano chocan con otros objetos que tampoco están orbitando el plano y los momentos angulares que no están en la dirección del vector del sistema en su conjunto para luego cancelarse cuando los objetos se golpean entre sí. El movimiento en el avión no se detiene porque es donde va el momento angular neto.

Entonces, si comienzas con un montón de cosas que se mueven pero están gravitacionalmente unidas, le gustaría pasar a una rotación plana. No es perfectamente plano y, a veces, no hay suficiente tiempo o cosas para llevarlo a un avión. Pero no es una coincidencia que los sistemas se comporten de esa manera.

Porque giran. La Tierra, por ejemplo, no es esférica, es un esferoide achatado, que es una forma elegante de decir “es un poco como una esfera, pero no es una esfera perfecta”. Verás, la Tierra se abulta en el centro, alrededor del ecuador, y lo hace porque gira.

Piense en un trozo redondo de masa de pan, si lo gira en un plano lo suficientemente rápido, se alarga y se aplana, volviéndose cada vez más cilíndrico. La razón es la fuerza centrífuga, un efecto que actúa sobre un cuerpo giratorio que intenta arrojarlo lejos del centro de rotación.

Con el tiempo, las estrellas en una galaxia (espiral giratoria) se organizan en un plano en el eje de rotación, a medida que se alejan del centro a lo largo de ese plano; al igual que el ecuador de la Tierra es arrojado más lejos, haciendo que el planeta se abulte en el medio.

Con respecto a los sistemas solares, debe recordar cómo se forman las estrellas y los planetas. Una nube de materia se junta bajo la gravedad, y al hacerlo, cualquier giro será exagerado (piense en un patinador de hielo que gira, mientras jalan sus brazos y piernas, su velocidad de rotación aumenta, lo mismo). Este giro, al igual que con las galaxias, hace que la materia se acumule en un plano a lo largo de su eje de rotación. Así, a medida que la materia se condensa más, la estrella se forma en el centro, y gradualmente los planetas se forman en aproximadamente un solo plano, todos orbitando en la misma dirección.

Porque están girando.

El giro provoca una fuerza centrífuga que intenta tirar del material que gira hacia afuera del círculo. Imagínense, el experimento de la cuerda y la piedra: atas una piedra en una cuerda y la giras sosteniendo el otro extremo de la cuerda. La piedra vuela en un disco circular tirando de la cuerda hacia afuera. Aquí la fuerza centrífuga empuja la piedra hacia afuera y la tensión en la cuerda misma proporciona la fuerza centrípeta para equilibrar la fuerza centrífuga. En el caso de galaxias y sistemas estelares que están girando, la gravedad actúa como una cuerda para equilibrar la fuerza centrífuga.

Sin embargo, puede observar que las estructuras estelares no giratorias, como las nubes de gas y las nebulosas, adoptan una forma aleatoria y no son planas.

Recordé un video del canal de YouTube MinutePhysics que explica este tema con imágenes para facilitar la comprensión, complementando las respuestas anteriores:

Re: “La gravedad tiene simetría esférica. ¿Por qué las galaxias y los sistemas estelares tienen una forma casi plana? Algunas órbitas salen del plano (como las de Plutón) pero la mayoría de esos sistemas aparecen como “planos”. ”

Esta pregunta es otra encarnación de preguntas anteriores.

¿Por qué algunas galaxias no tienen forma esférica?

¿Por qué las galaxias no son esféricas?