Cuando están activos, los agujeros negros supermasivos desempeñan un papel crucial en la forma en que evolucionan las galaxias. Hasta ahora se pensaba que el crecimiento se debía a la violenta colisión de dos galaxias seguida de su fusión; sin embargo, una nueva investigación dirigida por la Universidad de Bath sugiere que las fusiones de galaxias por sí solas no son suficientes para alimentar un agujero negro:también se necesita un depósito de gas frío en el centro de la galaxia anfitriona.
El nuevo estudio, publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Se cree que es el primero en utilizar el aprendizaje automático para clasificar las fusiones de galaxias con el objetivo específico de explorar la relación entre las fusiones de galaxias, la acreción de agujeros negros supermasivos y la formación de estrellas. Hasta ahora, las fusiones se clasificaban (a menudo incorrectamente) únicamente mediante la observación humana.
"Cuando los humanos buscan fusiones de galaxias, no siempre saben lo que están mirando y utilizan mucha intuición para decidir si se ha producido una fusión", dijo Mathilda Avirett-Mackenzie, Ph.D. estudiante del Departamento de Física de la Universidad de Bath y primer autor del artículo de investigación.
El estudio fue una colaboración entre socios de BiD4BEST (Aplicaciones de Big Data para estudios de evolución de agujeros negros), cuya Innovative Training Network ofrece formación doctoral en la formación de agujeros negros supermasivos.
Y añadió:"Al entrenar una máquina para que clasifique las fusiones, se obtiene una lectura mucho más veraz de lo que realmente hacen las galaxias".
Los agujeros negros supermasivos se encuentran en el centro de todas las galaxias masivas (para dar una idea de la escala, la Vía Láctea, con alrededor de 200 mil millones de estrellas, es sólo una galaxia de tamaño mediano). Estos agujeros negros de gran tamaño suelen pesar entre millones y miles de millones de veces la masa de nuestro sol.
Durante la mayor parte de su vida, estos agujeros negros permanecen inactivos, sentados en silencio mientras la materia orbita a su alrededor y teniendo poco impacto en la galaxia en su conjunto. Pero durante breves fases de sus vidas (breves sólo a escala astronómica y probablemente con una duración de millones a cientos de millones de años), utilizan fuerzas gravitatorias para atraer grandes cantidades de gas hacia ellos (un evento conocido como acreción), lo que resulta en un disco brillante que puede eclipsar a toda la galaxia.
Son estas breves fases de actividad las más importantes para la evolución de las galaxias, ya que las enormes cantidades de energía liberadas mediante la acreción pueden afectar la forma en que se forman las estrellas en las galaxias. Entonces, por una buena razón, establecer qué causa que una galaxia se mueva entre sus dos estados (inactivo y en formación estelar) es uno de los mayores desafíos de la astrofísica.
"Determinar el papel de los agujeros negros supermasivos en la evolución de las galaxias es crucial en nuestros estudios del universo", afirmó Avirett-Mackenzie.
Inspección humana versus aprendizaje automático
Durante décadas, los modelos teóricos han sugerido que los agujeros negros crecen cuando las galaxias se fusionan. Sin embargo, los astrofísicos que estudian la conexión entre las fusiones de galaxias y el crecimiento de los agujeros negros durante muchos años han desafiado estos modelos con una simple pregunta:¿Cómo identificamos de manera confiable las fusiones de galaxias?
La inspección visual ha sido el método más utilizado. Los clasificadores humanos, ya sean expertos o miembros del público, observan galaxias e identifican altas asimetrías o largas colas de marea (regiones delgadas y alargadas de estrellas y gas interestelar que se extienden hacia el espacio), las cuales están asociadas con fusiones de galaxias.
Sin embargo, este método de observación requiere mucho tiempo y no es confiable, ya que es fácil para los humanos cometer errores en sus clasificaciones. Como resultado, los estudios de fusiones a menudo arrojan resultados contradictorios.
Para el nuevo estudio dirigido por Bath, los investigadores se propusieron el desafío de mejorar la forma en que se clasifican las fusiones estudiando la conexión entre el crecimiento de los agujeros negros y la evolución de las galaxias mediante el uso de inteligencia artificial.
Entrenaron una red neuronal (un subconjunto de aprendizaje automático inspirado en el cerebro humano e imitando la forma en que las neuronas biológicas se envían señales entre sí) en fusiones de galaxias simuladas y luego aplicaron este modelo a galaxias observadas en el cosmos.
Al hacerlo, pudieron identificar fusiones sin prejuicios humanos y estudiar la conexión entre las fusiones de galaxias y el crecimiento de los agujeros negros. Demostraron que la red neuronal supera a los clasificadores humanos en la identificación de fusiones y, de hecho, los clasificadores humanos tienden a confundir galaxias regulares con fusiones.
Aplicando esta nueva metodología, los investigadores pudieron demostrar que las fusiones no están fuertemente asociadas con el crecimiento de los agujeros negros. Las firmas de fusión son igualmente comunes en galaxias con y sin agujeros negros supermasivos en acreción.
Utilizando una muestra extremadamente grande de aproximadamente 8.000 sistemas de agujeros negros en acreción, lo que permitió al equipo estudiar la cuestión con mucho más detalle, se descubrió que las fusiones conducían al crecimiento de agujeros negros sólo en un tipo muy específico de galaxias:las de formación estelar. galaxias que contienen cantidades significativas de gas frío.
Esto muestra que las fusiones de galaxias por sí solas no son suficientes para alimentar los agujeros negros:también deben estar presentes grandes cantidades de gas frío para permitir que el agujero negro crezca.
Avirett-Mackenzie dijo:"Para que las galaxias formen estrellas, deben contener nubes de gas frío que sean capaces de colapsar en estrellas. Los procesos altamente energéticos, como la acumulación de agujeros negros supermasivos, calientan este gas, volviéndolo demasiado energético para colapsar o explotándolo". fuera de la galaxia."
Y añadió:"En una noche despejada, se puede detectar este proceso en tiempo real en la Nebulosa de Orión, una gran región de formación estelar en nuestra galaxia y la más cercana de su tipo a la Tierra, donde se pueden ver algunas estrellas que se formaron recientemente y otras que aún se están formando."
La Dra. Carolin Villforth, profesora titular del Departamento de Física y supervisora de Avirett-Mackenzie en Bath, dijo:"Hasta ahora, todo el mundo estudiaba las fusiones de la misma manera:mediante clasificación visual. Con este método, cuando se utilizan clasificadores expertos que pueden detectar más características sutiles, sólo pudimos observar un par de cientos de galaxias, nada más.
"En cambio, el uso del aprendizaje automático abre un campo completamente nuevo y muy interesante en el que se pueden analizar miles de galaxias a la vez. Se obtienen resultados consistentes en muestras realmente grandes y, en cualquier momento dado, se pueden observar muchas propiedades diferentes de una galaxia negra". agujero."
Más información: M S Avirett-Mackenzie et al, Una mejora posterior a la fusión solo en galaxias Seyfert de tipo 2 con formación de estrellas:la visión del aprendizaje profundo, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society (2024). DOI:10.1093/mnras/stae183
Proporcionado por la Universidad de Bath
