Un equipo de astrónomos ha descubierto que la masa total de estrellas en una galaxia no es un buen predictor de la abundancia de elementos más pesados en la galaxia, un resultado sorprendente según estudios previos. En cambio, el potencial gravitacional de una galaxia es un predictor mucho mejor. Los hallazgos se publican en la revista Astronomy &Astrophysics. .
Esto es importante porque al investigar y clasificar galaxias, las "relaciones de escala" juegan un papel importante en la comprensión de las formaciones y evoluciones de las galaxias. Son relaciones significativas que ayudan a predecir otras propiedades de una estrella, nebulosa y galaxia si se conocen ciertas propiedades más simples, por ejemplo, tendencias entre propiedades como masa, tamaño, luminosidad y colores.
Cuando se estudian galaxias, una relación que se informa con frecuencia es la "metalicidad" de la galaxia. Como la gran mayoría de la masa ordinaria (no oscura) del universo (alrededor del 98%) es hidrógeno o helio, los astrónomos llaman al resto "metales" y a su abundancia "metalicidad". Los metales se produjeron mucho (relativamente) después del Big Bang, por lo que el grado de metalicidad de un objeto es una indicación de la actividad estelar después del Big Bang.
La metalicidad se define como la fracción de masa de los metales dividida por la masa de la estrella, nebulosa o galaxia. (En la práctica, los astrónomos tienen algunas formas de calcular la metalicidad, pero todas indican el grado de elementos más pesados). En la práctica, a menudo sólo se utilizan oxígeno o hierro como sustitutos de la metalicidad. El oxígeno es el elemento pesado más abundante del universo y el hierro también es común ya que tiene el núcleo más estable.
En el presente estudio, dirigido por Laura Sánchez-Menguiano de la Universidad de Granada en España, el grupo utilizó datos sobre más de 3.000 galaxias cercanas con formación de estrellas del estudio Mapping Near Galaxies realizado en el Observatorio Apache Point en Nuevo México, Estados Unidos. .
Utilizando 148 parámetros que describen algún aspecto de cada galaxia en este conjunto, el grupo utilizó un algoritmo informático llamado "algoritmo de regresor de bosque aleatorio" para establecer relaciones de escala entre los muchos parámetros galácticos, para todo este grupo de galaxias, para encontrar el que predice mejor la metalicidad en fase gaseosa de la galaxia, que es la metalicidad de los gases en el medio interestelar de la galaxia.
Para la metalicidad en fase gaseosa, utilizaron como indicador la relación entre la abundancia de oxígeno (una sustancia química que rastrea la evolución de las galaxias) y la masa de hidrógeno, medida a una distancia de un radio efectivo de la galaxia.
La cantidad de metales en las galaxias aumenta gradualmente, a medida que continuamente se forman estrellas en una galaxia y a medida que las estrellas se convierten en supernovas, arrojando toda su masa elemental al medio interestelar galáctico. Los procesos internos de las galaxias, así como otros procesos externos, dejan una huella en la metalicidad de la fase gaseosa, que los astrónomos han descubierto que es una herramienta muy poderosa para comprender las características y el desarrollo de las galaxias.
El algoritmo de bosque aleatorio es una técnica de aprendizaje automático supervisado que los astrónomos han utilizado ampliamente en la comunidad astronómica con gran éxito. La técnica utilizó una combinación de árboles de decisión que encuentra las características de entrada que contienen la mayor cantidad de información sobre una salida o característica objetivo. Aquí las características de entrada fueron las muchas propiedades galácticas, y la característica objetivo fue la metalicidad en fase gaseosa.
En última instancia, el algoritmo, a través de muchas combinaciones de árboles de decisión, crea un modelo para predecir la característica objetivo utilizando un conjunto de condiciones sobre los valores de las muchas características de entrada.
La regresión mostró que el mejor predictor de la metalicidad en fase gaseosa era el potencial gravitacional bariónico de la galaxia, la relación entre la masa estelar y el radio efectivo. (La constante gravitacional G no está incluida, porque es una constante que simplemente interfiere y siempre se puede agregar más adelante si se desea).
Los bariones son partículas, como el protón o el neutrón, que están formadas por tres constituyentes:los quarks. Estas partículas interactúan a través de la fuerza fuerte, por lo que el electrón no es un barión. (En cualquier caso, la masa de un protón y un neutrón es casi 2000 veces mayor que la de un electrón, por lo que los electrones contribuyen muy poco a la masa estelar e interestelar).
El potencial gravitacional bariónico de una galaxia proporciona una mejor predicción de la metalicidad en fase gaseosa que la masa estelar galáctica. De hecho, el análisis mostró que el dependiente más fuerte era la relación (masa estelar total sobre el radio efectivo) a la potencia 0,6. El resultado fue bueno para masas galácticas entre 300 millones y 300 mil millones de veces la masa del sol. El grupo sostiene que la potencia 0,6, menor que uno, explica la inclusión de materia oscura en la galaxia.
"Encontrar las relaciones más estrechas y fundamentales nos ayuda a mejorar nuestra comprensión sobre cómo funcionan las galaxias y es crucial para perfeccionar futuras simulaciones", dijo Sánchez-Menguiano. "Ahora es importante investigar el papel de este parámetro en otros procesos que sufre una galaxia a lo largo de su vida para mejorar nuestra comprensión sobre el proceso global de formación y evolución de las galaxias".
Aún así, el estudio encontró evidencia de que el potencial gravitacional bariónico por sí solo no puede predecir la metalicidad en fase gaseosa, y otros parámetros secundarios podrían desempeñar un papel notable en su determinación. Se está llevando a cabo un estudio futuro para investigar más a fondo estas relaciones.
Más información: Laura Sánchez-Menguiano et al, La masa estelar no es el mejor predictor de la metalicidad de las galaxias, Astronomía y Astrofísica (2023). DOI:10.1051/0004-6361/202346708
Información de la revista: Astronomía y Astrofísica
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