Un team di astronomi ha scoperto che la massa totale delle stelle in una galassia non è un buon predittore dell'abbondanza di elementi più pesanti nella galassia, un risultato sorprendente secondo studi precedenti. Invece, il potenziale gravitazionale di una galassia è un predittore molto migliore. I risultati sono pubblicati sulla rivista Astronomy &Astrophysics .
Questo è importante perché quando si studiano e classificano le galassie, le "relazioni di scala" svolgono un ruolo importante nella comprensione della formazione e dell'evoluzione delle galassie. Sono relazioni significative che aiutano a prevedere altre proprietà di una stella, nebulosa e galassia se si conoscono alcune proprietà più semplici, ad esempio le tendenze tra proprietà come massa, dimensione, luminosità e colori.
Quando si studiano le galassie, una relazione spesso segnalata è con la "metallicità" della galassia. Poiché la stragrande maggioranza della massa ordinaria (non oscura) dell'universo, circa il 98%, è costituita da idrogeno o elio, gli astronomi chiamano il resto "metalli" e la loro abbondanza "metallicità". I metalli sono stati prodotti molto tempo (relativamente) dopo il Big Bang, quindi il grado di metallicità di un oggetto è un'indicazione dell'attività stellare dopo il Big Bang.
La metallicità è definita come la frazione di massa dei metalli divisa per la massa della stella, nebulosa o galassia. (In pratica gli astronomi hanno alcuni modi per calcolare la metallicità, ma tutti indicano il grado degli elementi più pesanti.) In pratica, spesso solo l'ossigeno o il ferro vengono utilizzati come indicatori della metallicità. L'ossigeno è l'elemento pesante più abbondante nell'universo e anche il ferro è comune poiché ha il nucleo più stabile.
Nel presente studio, condotto da Laura Sánchez-Menguiano dell'Università di Grenada in Spagna, il gruppo ha utilizzato i dati su più di 3.000 galassie vicine che formano stelle provenienti dall'indagine Mapping Near Galaxies condotta presso l'Osservatorio Apache Point nel Nuovo Messico negli Stati Uniti. .
Utilizzando 148 parametri che descrivono alcuni aspetti di ciascuna galassia in questo insieme, il gruppo ha utilizzato un algoritmo informatico chiamato "algoritmo di regressore della foresta casuale" per stabilire relazioni di scala tra i numerosi parametri galattici, per l'intero gruppo di galassie, per trovare quello che prevede al meglio la metallicità in fase gassosa della galassia, ovvero la metallicità dei gas nel mezzo interstellare della galassia.
Per la metallicità in fase gassosa hanno utilizzato come proxy il rapporto tra l'abbondanza di ossigeno, una sostanza chimica che traccia l'evoluzione delle galassie, e la massa di idrogeno, misurata alla distanza di un raggio effettivo della galassia.
La quantità di metalli nelle galassie aumenta gradualmente, man mano che le stelle si formano continuamente in una galassia e man mano che le stelle diventano supernove, riversando tutta la loro massa elementare nel mezzo interstellare galattico. I processi interni delle galassie, così come altri processi esterni, lasciano un'impronta sulla metallicità della fase gassosa, che gli astronomi hanno scoperto essere uno strumento molto potente per comprendere le caratteristiche e lo sviluppo delle galassie.
L’algoritmo della foresta casuale è una tecnica di apprendimento automatico supervisionato che gli astronomi hanno ampiamente utilizzato nella comunità astronomica con grande successo. La tecnica utilizzava una combinazione di alberi decisionali in grado di individuare le funzionalità di input che contengono la maggior parte delle informazioni su un output o funzionalità di destinazione. Qui le caratteristiche di input erano le numerose proprietà galattiche, e la caratteristica di destinazione era la metallicità della fase gassosa.
Alla fine l'algoritmo, attraverso le numerose combinazioni di alberi decisionali, crea un modello per prevedere la caratteristica target utilizzando una serie di condizioni sui valori delle numerose caratteristiche di input.
La regressione ha mostrato che il miglior predittore della metallicità in fase gassosa era il potenziale gravitazionale barionico della galassia, il rapporto tra la massa stellare e il raggio effettivo. (La costante gravitazionale G non è inclusa, perché è una costante che è solo d'intralcio e potrebbe sempre essere aggiunta in seguito, se lo si desidera.)
I barioni sono particelle, come il protone o il neutrone, costituite da tre costituenti:i quark. Queste particelle interagiscono tramite la forza forte, quindi l'elettrone non è un barione. (In ogni caso, la massa di un protone e di un neutrone è quasi 2.000 volte maggiore di un elettrone, quindi gli elettroni contribuiscono molto poco alla massa stellare e interstellare.)
Il potenziale gravitazionale barionico di una galassia fornisce una migliore previsione della metallicità in fase gassosa rispetto alla massa stellare galattica. In effetti, l'analisi ha mostrato che il rapporto più forte era il rapporto (massa stellare totale su raggio effettivo) con la potenza 0,6. Il risultato è stato positivo per masse galattiche comprese tra 300 milioni e 300 miliardi di volte la massa del sole. Il gruppo sostiene che la potenza 0,6, inferiore a uno, spiega l'inclusione della materia oscura nella galassia.
"Trovare le relazioni più strette e fondamentali ci aiuta a migliorare la nostra comprensione di come funzionano le galassie ed è fondamentale per perfezionare le simulazioni future", ha affermato Sánchez-Menguiano. "È importante ora studiare il ruolo di questo parametro su altri processi subiti da una galassia nel corso della sua vita per migliorare la nostra comprensione del processo globale di formazione ed evoluzione delle galassie."
Tuttavia, lo studio ha trovato prove che il potenziale gravitazionale barionico da solo non può predire la metallicità della fase gassosa, e altri parametri secondari potrebbero svolgere un ruolo notevole nel determinarla. È in corso uno studio futuro per indagare ulteriormente queste relazioni.
Ulteriori informazioni: Laura Sánchez-Menguiano et al, La massa stellare non è il miglior predittore della metallicita' delle galassie, Astronomia e astrofisica (2023). DOI:10.1051/0004-6361/202346708
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