چرا کهکشان ها مسطح اما سیارات کروی هستند؟

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1009

سپاس: 676

جنسیت:

تماس:

چرا کهکشان ها مسطح اما سیارات کروی هستند؟

پست توسط rohamjpl »

یک سیاره به دلیل گرانش گرد است. گرانش یک سیاره از همه طرف به یک اندازه کشیده می شود. جاذبه مانند پره های چرخ دوچرخه از مرکز به لبه ها می کشد. این باعث می شود شکل کلی یک سیاره یک کره باشد که یک دایره سه بعدی است.ابتدا، باید توجه داشت که کهکشان هایی مانند ما کاملاً مسطح نیستند. آنها در وسط خود ضخیم تر از لبه های خود هستند. این می تواند در برخی موارد به تفاوت هایی در عرض صدها سال نوری تبدیل شود.با برخورد این اجسام، هر حرکت رو به بالا یا پایین به تدریج لغو می شود، در حالی که حفظ تکانه زاویه ای حکم می کند که آنها باید به دور همان محور به چرخش خود ادامه دهند و در نتیجه شکلی صاف و دیسک مانند به دست آورند.
کهکشان مجموعه عظیمی از گاز، گرد و غبار، میلیاردها ستاره و منظومه شمسی خودش است که همگی توسط گرانش نگه داشته شده اند
کهکشان‌‌های مارپیچی
کهکشان‌های عدسی
کهکشان‌های بیضوی
کهکشان‌های نامنظم
بیش از دو سوم کهکشان‌های مشاهده شده کهکشان‌های مارپیچی هستند. یک کهکشان مارپیچی دارای یک دیسک مسطح و در حال چرخش با برجستگی مرکزی است که توسط بازوهای مارپیچی احاطه شده است. این حرکت چرخشی با سرعت صدها کیلومتر در ثانیه احتمالاً باعث می‌شود که ماده موجود در دیسک مانند یک چرخ‌دنده کیهانی شکل مارپیچی متفاوتی پیدا کند.
یک دیسک تخت و چرخنده از ستارگان و ماده بین ستاره‌ای که بازوهای مارپیچ آن اجزای برجسته‌ای هستند.
یک برآمدگی ستاره‌ای مرکزی از ستارگان عمدتاً قدیمی‌تر که شبیه کهکشان بیضوی است.
توزیع میله‌ای شکل ستاره‌ها
هاله‌ای تقریباً کروی از ستاره ها، از جمله بسیاری هاله در خوشه‌های کروی
سیاهچاله‌ای بزرگ در مرکز برآمدگی مرکزی
هاله تقریباً کروی ماده تاریک
اما این سوال هنوز قابل درک است - کهکشان ها و سیارات هنوز هم شکل های بسیار متفاوتی دارند. منظومه های خورشیدی نیز معمولاً شکلی مسطح دارند. چرا اینطور است؟با توجه به اینکه فضا سه بعدی است، ممکن است عجیب به نظر برسد که بسیاری از اجرام کیهانی خود را در یک صفحه قرار می دهند. به عنوان مثال منظومه شمسی را در نظر بگیرید، جایی که سیارات به جای اینکه در یک پیکربندی کروی توزیع شوند، در یک صفحه به دور خورشید می چرخند. این در هر دو مقیاس کوچک و نجومی صادق است. حلقه‌های زحل به شکل دیسکی در همان صفحه با مرکز جرم سیاره قرار گرفته‌اند. کمربند سیارک ها نیز مسطح هستند و بیشتر کهکشان ها هم همینطور هستند.
به طور خلاصه، این الگو را می توان با یک قانون اساسی فیزیک توضیح داد: بقای تکانه زاویه ای. تکانه زاویه ای آنالوگ چرخشی تکانه خطی است و به عنوان حاصل ضرب گشتاور اینرسی و سرعت زاویه ای آن تعریف می شود.
قانون بقای تکانه زاویه ای
قانون بقای تکانه زاویه ای بیان می کند که وقتی هیچ گشتاور خارجی روی جسمی وارد نشود، تغییری در تکانه زاویه ای ایجاد نمی شود. اگر گشتاور خالص صفر باشد، تکانه زاویه ای ثابت یا حفظ می شود.
این حفظ تکانه زاویه ای است که می تواند توضیح دهد که چرا یک اسکیت باز روی یخ می تواند شتاب زاویه ای خود را با نزدیک کردن دست ها و پاهای خود به محور عمودی چرخش افزایش دهد. از آنجایی که لحظه حفظ می شود، وقتی اسکیت باز اینرسی چرخشی را کاهش می دهد، سرعت چرخش باید افزایش یابد.
تکانه زاویه ای یک کمیت فیزیکی است که حول یک محور ثابت ثابت است که یک نقطه در فضای دو بعدی و یک خط در فضای سه بعدی است. این بدان معناست که سیستم در امتداد صفحه ای عمود بر این محور می چرخد. در مورد خاص ما، منظومه شمسی، این بدان معنی است که وقتی همه آن گاز و غبار اولیه شروع به برخورد کردند، ذرات می توانند در هر جهتی حرکت کنند، اما تمام حرکات بالا و پایین یکدیگر را به تدریج حذف می کنند. با گذشت زمان، ذرات آزادی خود را برای حرکت در تمام سطوح به جز یک صفحه دو بعدی انتخاب شده از دست می دهند. از آنجایی که تکانه زاویه ای $\vec{L} =m\vec{v}\times\vec{r}$ برای یک v معین، اگر r بزرگ باشد، حفظ L آسان تر است. در جهت متعامد (در امتداد محور تکانه زاویه ای تصادفی) چنین مانعی برای فروپاشی وجود ندارد و بنابراین معلوم می شود که مجموعه دیسکی شکل است چرا؟ همه چیز به جاذبه برمی گردد. تمام اتم های یک جسم به سمت یک مرکز ثقل مشترک می کشند و هر نیرویی که آنها را از هم جدا می کند به بیرون مقاومت می کنند. نتیجه نهایی می تواند یک کره باشد ..ببینید ما . در مکانیک سیالات، تعادل هیدرواستاتیکی (تعادل هیدرواستاتیک، هیدرواستازی) وضعیت یک سیال یا جامد پلاستیکی در حالت سکون است که زمانی اتفاق می‌افتد که نیروهای خارجی، مانند گرانش، توسط نیروی گرادیان فشار متعادل شوند.
مثال بزنم یک لیوان آب را در نظر بگیرید. اگر می‌توانستید تک تک مولکول‌ها را ببینید که در اطراف خود تکان می‌خورند، می‌بینید که سعی می‌کنند تا جایی که می‌توانند به خوبی جا بیفتند و کشش بالای آب را صاف و یکدست می‌کند.
سیاره ای را تصور کنید که تماماً از آب ساخته شده است. با کشیدن تمام نقاط به سمت مرکز جرم، یک کره کامل به دست خواهید آورد.
گرانش و کشش سطحی آن را به داخل می کشد و نیروهای مولکولی آن را به بیرون رانده می کنند. اگر بتوانید این قطره عظیم آب را در محیطی نگه دارید که دست نخورده باقی بماند، در نهایت آب به تعادل کامل خواهد رسید. این به "تعادل هیدرواستاتیک" معروف است.
ستاره ها، سیارات و قمرها می توانند از گاز، یخ یا سنگ ساخته شوند. جرم کافی را در یک ناحیه بدست آورید، و تمام آن مواد را به شکل تقریباً کروی در می آورد. اجرام با جرم کمتر، مانند سیارک ها، دنباله دارها و قمرهای کوچکتر گرانش کمتری دارند، بنابراین ممکن است به کره های کامل کشیده نشوند.
اول، چرا کهکشان ها آن شکل های مارپیچی یا دیسکی دارند؟ این به دلیل اثر گریز از مرکز است: وقتی یک جسم می‌چرخد، انتهای آن به سمت بیرون رانده می‌شود. با چرخش کهکشان، ستاره‌های بیرونی آن بیشتر پرتاب می‌شوند در حالی که ستاره‌های نزدیک‌تر آن نزدیک‌تر می‌مانند، و همگی تحت کشش گرانشی هسته مرکزی کهکشان نسبتاً نزدیک باقی می‌مانند. فرآیند مشابهی در منظومه شمسی اتفاق می افتد.
بنابراین، ممکن است به درستی بپرسیم که چرا سیارات اینگونه نیستند؟ زمین به جای اینکه به یک دیسک صاف تبدیل شود، تقریباً به طور نامحسوس برآمده می شود. چرا اینطور است؟
و دلیل آن چگالی و نحوه کار گرانش است. در نظر بگیرید: زمین عمدتاً یک گلوله آهنی است، با جرمی تقریباً شش میلیارد میلیارد تریلیون تن، که همگی در محدوده های نسبتاً کوچکی قرار دارند - از نظر کیهانی یک محدوده بسیار کوچک. اکنون، گرانش نیروی بسیار ضعیفی است، اما وقتی این مقدار جرم را در یک مکان با هم داشته باشید، همه چیز را دسته بندی می کند و آن را به یک توپ تبدیل می کند، مگر اینکه واقعاً سریع بچرخد.
اگر خیلی سریعتر بچرخد یا چگالی کمتری داشته باشد چه؟ چرا، پس قطعات از هم جدا می شوند و در اطراف پخش می شوند. می بینید که با چیزهایی مانند کمربند سیارکی که بیشتر یک حلقه است تا یک سیاره.
اکنون، کهکشان ممکن است عظیم باشد، اما همچنین بسیار بزرگ است. ستارگان پرجرم هستند، اما مقدار فضای بین آنها اندازه آنها به مراتب از قدر کوچکتر است. این بدان معناست که کهکشان به مراتب چگالی کمتری نسبت به یک سیاره دارد، و بنابراین گرانش (که نیروی خیلی قوی نیست، ما ذکر کردیم) به اندازه کافی قوی نیست که آنها را در یک توپ فرو بریزد. بنابراین چیزی که به دست می آورید یک دیسک است.
خوشه های متراکم تری از ستارگان وجود دارند که گرانش اشیاء را محکم تر به هم متصل می کند. ما به آن خوشه های کروی می گوییم
و همانطور که از نام آنها پیداست تقریباً کروی هستند. بنابراین همانطور که می بینید، همه چیز در مورد چگالی است. به اندازه کافی ماده را به اندازه کافی نزدیک کنید، و حتی اگر در حال چرخش باشد، تقریباً کروی خواهد بود. آن را از هم جدا کنید یا سریعتر بچرخانید، و چیزی بیشتر شبیه یک دیسک به دست می آورید
شکل با به حداقل رساندن انرژی سیستم برای مقدار ثابت تکانه زاویه ای تعیین می شود.
اصطلاحات انرژی آشکارا شامل انرژی پتانسیل گرانشی (منفی)، انرژی جنبشی چرخشی و درونی اجزای تشکیل دهنده (ماده سیاره یا گاز و ستاره های یک کهکشان) می شود.
در غیاب چرخش قابل توجه، انرژی در یک سناریوی کروی متقارن به حداقل می رسد. این مورد برای سیارات است. هر گونه تلاش برای فروپاشی در امتداد یک محور، انرژی بالقوه را کاهش می دهد، اما به بهای افزایش انرژی داخلی گاز/مایع/ماده ای که سیاره را تشکیل می دهد حتی بیشتر. با این حال، سیاراتی مانند مشتری به اندازه ای سریع می چرخند که به طور مشخص غیر کروی باشند.
ممکن است فکر کنید که استدلال مشابهی در مورد یک کهکشان اعمال می شود. با این حال، آنچه اتفاق می‌افتد این است که افزایش انرژی داخلی گاز (نکته مهم است که توجه داشته باشیم که مسطح شدن قبل از شکل‌گیری بیشتر ستارگان رخ داده است) در پیش کهکشان می‌تواند به صورت فوتون به دور تابش شود. یعنی گاز داغتر می شود و تشعشع می کند. این اجازه می دهد تا فروپاشی رخ دهد، اما یک دیسک به منظور حفظ حرکت زاویه ای ایجاد می شود.
حالا می توانید بگویید، خوب چرا همین اتفاق برای یک سیاره نمی افتد؟ سیارات گرد هستند زیرا میدان گرانشی آنها طوری عمل می کند که انگار از مرکز سیاره سرچشمه می گیرد و همه چیز را به سمت خود می کشد. ... تنها راه برای نزدیک شدن تمام جرم تا حد امکان به مرکز ثقل سیاره، تشکیل یک کره است. نام فنی این فرآیند «تنظیم ایزواستاتیک» است$\frac{dP}{dr} = - G\frac{M(r)\rho(r)}{r^2} \tag*{(2)}$ یا تعادل ایزواستاتیک، حالت تعادل گرانشی بین پوسته زمین (یا لیتوسفر) و گوشته است به طوری که پوسته در ارتفاعی که به ضخامت و چگالی آن بستگی دارد، «شناور» می شود.به طور کلی، ایزوستازی اصل شناوری است که در آن یک جسم غوطه ور در یک سیال با نیرویی برابر با وزن سیال جابجا شده شناور می شود.اساس مدل، قانون پاسکال است، و به ویژه نتیجه آن این است که در یک سیال در تعادل استاتیک، فشار هیدرواستاتیک در هر نقطه در همان ارتفاع یکسان است (سطح جبران هیدرواستاتیک):${\displaystyle (h_{1}+c+b_{1})\rho _{c}=(c\rho _{c})+(b_{1}\rho _{m})}$,${\displaystyle c\rho _{c}=(h_{2}\rho _{w})+(b_{2}\rho _{m})+[(c-h_{2}-b_{2})\rho _{c}]} c\rho _{c}=(h_{2}\rho _{w})+(b_{2}\rho _{m})+[(c-h_{2}-b_{2})\rho _{c}]$هر ماده ای دارای محدودیت تنش برشی است (هیچ جسم صلب واقعی وجود ندارد). با در نظر گرفتن این موضوع، اگر مواد کافی در یک منطقه کوچک با هم جمع شوند، به دلیل نیروی گرانشی خود (شکل کمترین انرژی پتانسیل) مواد به شکل کروی در می آیند.
بر این اساس، اگر مواد بسیار سخت یا از نظر کمیت کمتر باشند (مثلاً سیارک‌ها)، جسم ممکن است کروی نباشد. اصطلاحات انرژی آشکارا شامل انرژی پتانسیل گرانشی (منفی)، انرژی جنبشی چرخشی و درونی اجزای تشکیل دهنده (ماده سیاره یا گاز و ستاره های یک کهکشان) می شود.
در غیاب چرخش قابل توجه، انرژی در یک سناریوی کروی متقارن به حداقل می رسد. این مورد برای سیارات است. هر گونه تلاش برای فروپاشی در امتداد یک محور، انرژی بالقوه را کاهش می دهد، اما به قیمت افزایش انرژی داخلی گاز/مایع/ماده ای که سیاره را تشکیل می دهد حتی بیشتر. با این حال، سیاراتی مانند مشتری به اندازه ای سریع می چرخند که به طور مشخص غیر کروی باشند.ممکن است فکر کنید که استدلال مشابهی در مورد یک کهکشان اعمال می شود. با این حال، آنچه اتفاق می‌افتد این است که افزایش انرژی داخلی گاز (نکته مهم است که توجه داشته باشیم که مسطح شدن قبل از شکل‌گیری بیشتر ستارگان رخ داده است) یعنی گاز داغتر می شود و تشعشع می کند. این اجازه می دهد تا فروپاشی رخ دهد، اما یک دیسک به منظور حفظ حرکت زاویه ای ایجاد می شود.تصویر
حالا می توانید بگویید، خوب چرا همین اتفاق برای یک سیاره نمی افتد؟ پاسخ مربوط به رابطه بین انرژی درونی مواد سیاره و چگالی آن است. سیارات صخره ای از مواد نسبتاً تراکم ناپذیر ساخته شده اند که در صورت فشرده شدن، انرژی داخلی (فشار) زیادی افزایش می یابد. غول‌های گازی تراکم‌پذیرتر هستند و بیشتر شبیه کهکشان‌ها هستند، اما مراکز آنها تحت فشار انحطاط الکترونی است. چنین اجسامی نمی توانند مقدار زیادی از انرژی درونی خود را تابش کنند و اگر این انرژی بر انرژی دورانی غالب شود، تقریباً کروی می مانند و هرگونه فروپاشی متوقف می شود.ّI hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست