Quando sono attivi, i buchi neri supermassicci svolgono un ruolo cruciale nel modo in cui si evolvono le galassie. Finora si pensava che la crescita fosse innescata dalla violenta collisione di due galassie seguita dalla loro fusione; tuttavia, una nuova ricerca condotta dall'Università di Bath suggerisce che le fusioni tra galassie da sole non sono sufficienti per alimentare un buco nero:è necessario anche un serbatoio di gas freddo al centro della galassia ospite.
Il nuovo studio, pubblicato sulla rivista Monthly Notice of the Royal Astronomical Society si ritiene che sia il primo a utilizzare l'apprendimento automatico per classificare le fusioni di galassie con l'obiettivo specifico di esplorare la relazione tra fusioni di galassie, accrescimento di buchi neri supermassicci e formazione stellare. Fino ad ora, le fusioni venivano classificate (spesso in modo errato) esclusivamente attraverso l'osservazione umana.
"Quando gli esseri umani cercano fusioni tra galassie, non sempre sanno cosa stanno guardando e usano molta intuizione per decidere se è avvenuta una fusione", ha affermato Mathilda Avirett-Mackenzie, Ph.D. studente del Dipartimento di Fisica dell'Università di Bath e primo autore del documento di ricerca.
Lo studio è frutto di una collaborazione tra i partner di BiD4BEST (Big Data Applications for Black Hole Evolution Studies), la cui rete di formazione innovativa fornisce formazione di dottorato sulla formazione dei buchi neri supermassicci.
Ha aggiunto:"Addestrando una macchina a classificare le fusioni, si ottiene una lettura molto più veritiera di ciò che stanno effettivamente facendo le galassie."
I buchi neri supermassicci si trovano al centro di tutte le galassie massicce (per dare un senso di scala, la Via Lattea, con circa 200 miliardi di stelle, è solo una galassia di medie dimensioni). Questi buchi neri di grandi dimensioni pesano tipicamente tra milioni e miliardi di volte la massa del nostro sole.
Per gran parte della loro vita, questi buchi neri sono quiescenti, seduti tranquillamente mentre la materia orbita intorno a loro, e hanno un impatto minimo sulla galassia nel suo insieme. Ma per brevi fasi della loro vita (brevi solo su scala astronomica e molto probabilmente della durata di milioni o centinaia di milioni di anni), usano le forze gravitazionali per attirare grandi quantità di gas verso di loro (un evento noto come accrescimento), con conseguente un disco luminoso che può eclissare l'intera galassia.
Sono queste brevi fasi di attività ad essere più importanti per l'evoluzione delle galassie, poiché le enormi quantità di energia rilasciata attraverso l'accrescimento possono influenzare il modo in cui le stelle si formano nelle galassie. Per una buona ragione, quindi, stabilire cosa provoca il movimento di una galassia tra i suoi due stati, quiescente e di formazione stellare, è una delle sfide più grandi in astrofisica.
"Determinare il ruolo dei buchi neri supermassicci nell'evoluzione delle galassie è fondamentale nei nostri studi sull'universo", ha affermato Avirett-Mackenzie.
Ispezione umana e apprendimento automatico
Per decenni, i modelli teorici hanno suggerito che i buchi neri crescono quando le galassie si fondono. Tuttavia, gli astrofisici che studiano da molti anni la connessione tra fusioni di galassie e crescita dei buchi neri hanno messo in discussione questi modelli con una semplice domanda:come possiamo identificare in modo affidabile le fusioni di galassie?
L’ispezione visiva è stato il metodo più comunemente utilizzato. I classificatori umani, esperti o membri del pubblico, osservano le galassie e identificano elevate asimmetrie o lunghe code di marea (regioni sottili e allungate di stelle e gas interstellare che si estendono nello spazio), entrambe associate alle fusioni di galassie.
Tuttavia, questo metodo di osservazione è dispendioso in termini di tempo e inaffidabile, poiché è facile per gli esseri umani commettere errori nelle loro classificazioni. Di conseguenza, gli studi sulle fusioni spesso forniscono risultati contraddittori.
Per il nuovo studio condotto da Bath, i ricercatori si sono posti la sfida di migliorare il modo in cui vengono classificate le fusioni studiando la connessione tra la crescita dei buchi neri e l'evoluzione delle galassie attraverso l'uso dell'intelligenza artificiale.
Hanno addestrato una rete neurale (un sottoinsieme dell'apprendimento automatico ispirato al cervello umano e che imita il modo in cui i neuroni biologici si segnalano tra loro) su fusioni di galassie simulate, quindi hanno applicato questo modello alle galassie osservate nel cosmo.
In questo modo, sono stati in grado di identificare le fusioni senza pregiudizi umani e studiare la connessione tra fusioni di galassie e crescita dei buchi neri. Hanno dimostrato che la rete neurale supera i classificatori umani nell'identificare le fusioni e, in effetti, i classificatori umani tendono a confondere le galassie regolari con le fusioni.
Applicando questa nuova metodologia, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che le fusioni non sono fortemente associate alla crescita dei buchi neri. Le firme delle fusioni sono ugualmente comuni nelle galassie con e senza buchi neri supermassicci in accrescimento.
Utilizzando un campione estremamente ampio di circa 8.000 sistemi di buchi neri in accrescimento – che ha permesso al team di studiare la questione in modo molto più dettagliato – si è scoperto che le fusioni portano alla crescita di buchi neri solo in un tipo molto specifico di galassie:la formazione stellare. galassie contenenti quantità significative di gas freddo.
Ciò dimostra che le fusioni tra galassie da sole non sono sufficienti ad alimentare i buchi neri:devono essere presenti anche grandi quantità di gas freddo per consentire al buco nero di crescere.
Avirett-Mackenzie ha affermato:"Affinché le galassie possano formare stelle, devono contenere nubi di gas freddo in grado di collassare in stelle. Processi altamente energetici come l'accrescimento di buchi neri supermassicci riscaldano questo gas, rendendolo troppo energetico per collassare o facendolo esplodere". fuori dalla galassia."
Ha aggiunto:"In una notte limpida, puoi quasi individuare questo processo che avviene in tempo reale con la Nebulosa di Orione, una grande regione di formazione stellare nella nostra galassia e la più vicina nel suo genere alla Terra, dove puoi vedere alcune stelle che si sono formate di recente e altre che si stanno ancora formando."
La dottoressa Carolin Villforth, docente senior presso il Dipartimento di Fisica e supervisore di Avirett-Mackenzie a Bath, ha dichiarato:"Fino ad ora, tutti studiavano le fusioni allo stesso modo:attraverso la classificazione visiva. Con questo metodo, quando si utilizzano classificatori esperti in grado di individuare più caratteristiche sottili, siamo riusciti a osservare solo un paio di centinaia di galassie, non di più.
"L'utilizzo dell'apprendimento automatico apre invece un campo completamente nuovo e molto entusiasmante in cui è possibile analizzare migliaia di galassie alla volta. Si ottengono risultati coerenti su campioni molto grandi e, in qualsiasi momento, è possibile osservare molte proprietà diverse di una stella nera." buco."
Ulteriori informazioni: MS Avirett-Mackenzie et al, Un miglioramento post-fusione solo nelle galassie di Seyfert di tipo 2 con formazione stellare:la visione del deep learning, Avvisi mensili della Royal Astronomical Society (2024). DOI:10.1093/mnras/stae183
Fornito dall'Università di Bath
