Astronomijoje su diskais susidurti tenka dažnai. Daugelio galaktikų pagrindinė struktūros dalis yra didžiuliai diskai, susisukę iš spiralinių vijų; arčiau jų centrų dažnai randame šimto-kito parsekų skersmens dujų diskus ar žiedus. Aplink juodąsias skyles (o kartais ir aplink neutronines žvaigždes bei baltąsias nykštukes) sukasi akreciniai diskai, po truputį maitinantys centrinį objektą dujomis. Jaunas žvaigždes supa protoplanetiniai diskai, taip pat auginantys žvaigždę; be to, iš jų susiformuoja planetos. Kodėl būtent diskai? Kodėl ne kokios nors sudėtingesnės netvarkingos struktūros arba sferiniai telkiniai?

Visi diskai savo gyvenimą pradeda kaip daugmaž rutulio formos telkiniai. Galaktikų diskai susiformuoja iš materijos, iš visų pusių krentančios į netaisyklingo elipsoido formos halą. Žvaigždės formuojasi iš tikrai ne paplokščių molekulinių debesų, o diskai aplink jas – iš to debesies liekanų. Akreciniai diskai aplink žvaigždžių liekanas atsiranda iš žvaigždės kompanjonės (dvinarėje sistemoje) vėjo arba nuo paviršiaus nutrauktos materijos, kartais – iš supernovos sprogimo išmestos, bet visiškai ištrūkti nesugebėjusios, materijos. Taigi visi šie apytikriai sferiniai dariniai susiploja į diskus. Kaip?

Kad atsakytume į šį klausimą, reikia suprasti, kokios jėgos nulemia dujų judėjimą. Pagrindinė viską reguliuojanti sąveika kosmose – gravitacija. Ji traukia dujas ir kitus objektus vieną prie kito, ir jei niekas jai nesipriešintų, viskas sukristų į vieną tašką, taptų didžiule juodąja skyle ir Visata liktų labai neįdomi. Tačiau mūsų laimei yra jėgų, kurios sulaiko materiją nuo begalinio kritimo į vieną tašką. Viena iš tų jėgų yra šilumos slėgio sukuriama spaudimo jėga. Bet kokios dujos, jei tik turi temperatūros, turi ir šiluminį (termodinaminį) slėgį, o slėgis jas verčia plėstis. Jei temperatūra pakankamai aukšta, dujos išsiplečia net ir veikiant gravitacijai, tačiau plėsdamosi jos paprastai atvėsta (jei negauna energijos iš šalies) ir kažkuriuo metu nusistovi pusiausvyroje. Tačiau neilgam, mat dujos vėsta ne tik plėsdamosi, bet ir dėl įvairių kitų procesų (elektronų ir jonų rekombinacijos, elektronų šuolių į žemesnius energijos lygius, kitokių sąveikų…). Taigi net ir toks apytikriai pusiausviras dujų telkinys po truputį kris vis arčiau ir arčiau centro.

Nuo visiško kolapso materiją sulaiko kita savybė – judesio kiekio momento tvermės dėsnis, veikiantis kartu su išcentrine jėga. Bet koks objektas, besisukantis aplink kažkokį orbitos centrą (šias sąvokas naudoju ne visai tiksliai, bet populiariam paaiškinimui turėtų pakakti) turi judesio kiekio momentą, kuris yra lygus kūno masės, jo atstumo iki orbitos centro, ir greičio dedamosios, statmenos krypčiai centro link, sandaugai. Skamba sudėtingai? Nieko baisaus, svarbu suprasti, jog judesio kiekio momentas yra tuo didesnis, kuo didesnis atstumas nuo orbitos centro, ir kuo didesnis judėjimo greitis (masė šiuo atveju nelabai svarbi, nes galima nagrinėti atskirų dalelių judesio kiekio momentą, o jų masė smarkiai nekinta). Taip pat svarbu yra tai, jog judesio kiekis yra vektorinis dydis, o jo kryptis yra statmena ir dalelės greičiui, ir krypčiai centro link (ta kryptis yra lygiagreti ašiai, aplink kurią sukasi dalelė). Judesio kiekio tvermės dėsnis sako, kad uždaroje sistemoje bendras judesio kiekis nekinta.

Toli nuo centro – ar tai būtų galaktikos centras, ar juodoji skylė, ar žvaigždė – materija juda beveik tiesiai centro link. Tačiau beveik visada yra ir nedidelė greičio dedamoji, statmena tai krypčiai; labai neįtikėtina tokia situacija, kad kokia nors dalelė būtų paleista visiškai tiksliai į nykstamai mažytį centrą ir milžiniško atstumo. Artėjant prie centro, dėl judesio kiekio tvermės dėsnio statmenoji greičio komponentė didėja. Jei dalelė yra tik viena, kažkuriuo metu ji pralekia artimiausią centrui orbitos tašką (pericentrą) ir nulekia tolyn, orbita užsilenkia ir sudaro elipsę. Tačiau dujos – ne viena dalelė, o didelis jų kiekis. Atskiros dujų dalelės ar jų srautai sąveikauja tarpusavyje, susimaišo. Kartu susimaišo ir jų greičiai bei judesio kiekio momentai. Taip didelio spindulio telkinys, po truputį traukdamasis, ima vis sparčiau suktis. Kažkuriuo metu jo sukimosi greitis (kuris gali būti nevienodas skirtingais atstumais nuo centro) tampa toks, kad jo sukuriamos išcentrinės jėgos pakanka suktis apskritimine orbita, nei artėjant prie centro, nei tolstant nuo jo. Vėl susidaro pusiausvyra, šįkart palaikoma nebe temperatūros, o sukimosi. Kartais tokiai pusiausvyrai atsirasti prireikia nemažai laiko; tuo metu sistema „pulsuoja“ – tai susitraukia iki šiek tiek mažesnio spindulio, nei pusiausvirasis, tai padidėja iki šiek tiek didesnio. Bet laikui bėgant dujų tarpusavio sąveikia orbitas paverčia apskritiminėmis.

Kuo tai susiję su diskais? Čia vėl svarbi dujų tarpusavio sąveika, nes, pavyzdžiui, žvaigždžių spiečiai, kuriuose dujų praktiškai nėra, išlieka rutulio formos (ir netgi nesisukantys, nes žvaigždės nepraranda „temperatūros“ analogiškai, kaip dujos). Tačiau dujos, kaip minėjau, maišosi ir dalinasi greičiais bei judesio kiekiu. Jei yra du dujų srautai, kurių orbitos kertasi, tai susidūrusios visos dujos pradeda judėti viena orbita, kurios judesio kiekio momentas lygus pradinių orbitų judesio kiekio momentų sumai. Jei tarp pradinių orbitų yra didelis kampas (didesnis nei 90 laipsnių), judesio kiekis smarkiai sumažėja ir dujos susimaišiusios nukrenta gerokai arčiau orbitos centro. O jei orbitų yra labai daug, tai besimaišydamos jos artėja prie konfigūracijos, kur visų dujų dalelių judesio kiekio momentų kryptys yra vienodos. Tokia konfigūracija yra ideali plokštuma, t.y. diskas.

Šį procesą galima paaiškinti ir šiek tiek kitaip (galbūt paprasčiau). Sferiškas dujų telkinys sukasi aplink vieną bendrą ašį, sutampančią su visos sistemos judesio kiekio momento kryptimi. Atskiros dujų dalelės gali judėti kitokiomis orbitomis, tačiau maišymasis jas po truputį artina prie bendrosios. Sukimosi kuriama išcentrinė jėga veikia tik kryptimis, statmenomis sukimosi ašiai. Taigi sistemos kolapsas sulaikomas tik viena kryptimi, o kitomis kryptimis gali tęstis. Dujos po truputį sukrenta į sukimosi plokštumą, taip suformuodamos diską. Disko storis nėra nulinis; jis priklauso nuo dujų temperatūros, kuri skirtingose sistemose yra labai įvairi – nuo šimtų kelvinų (išorinės protoplanetinių diskų sritys) iki milijonų (akreciniai diskai aplink žvaigždinės masės juodąsias skyles).

Sukimosi palaikomas diskas irgi nėra galutinė pusiausvira būsena. Įvairūs procesai gali perskirstyti judesio kiekio momentą ir priversti dujas migruoti artyn arba tolyn nuo centro. Galaktikų diskuose toks procesas yra spiralinės struktūros sukimasis, taip pat skersių susiformavimas. Akreciniuose diskuose dujos „trinasi“ tarpusavyje. Žodį „trinasi“ rašau kabutėse, nes ta trintis nors ir turi panašų poveikį, kaip šlyties trintis ir skysčių klampumas Žemės sąlygomis, tačiau jos prigimtis yra visai kitokia – greičiausiai susijusi su magnetiniais laukais, tačiau galutinio atsakymo dar nežinome. Judesio kiekio momentas nuolat persiskirsto taip, kad arčiau centro esančios dalelės jį praranda, o esančios toliau – įgyja. Taigi arti centro esančios dujos migruoja dar arčiau ir galų gale įkrenta į centrinį objektą (šis procesas vadinamas akrecija), o esančios toli gali netgi išsilaisvinti iš sistemos. Visai arti centro magnetiniai laukai gali tapti tokie stiprūs, kad jų kuriamas slėgis materijai vėl suteikia sferinį pavidalą.

Žinoma, diskų evoliucija priklauso nuo daugybės reiškinių. Gravitacija diske gali jį suskaldyti į gabaliukus (taip atsiranda planetos), magnetiniai laukai, aplinkiniai šviesos šaltiniai ir kitokie procesai turi įtakos tam, kas atsitiks su disku. Tačiau patys pagrindai yra gravitacija, sukimasis, temperatūros sukeliamas slėgis ir šlyties „trintis“, leidžianti persiskirstyti judesio kiekio momentui.

Laiqualasse