Uma equipa de astrónomos descobriu que a massa total das estrelas numa galáxia não é um bom indicador da abundância de elementos mais pesados ​​na galáxia, um resultado surpreendente de acordo com estudos anteriores. Em vez disso, o potencial gravitacional de uma galáxia é um preditor muito melhor. As descobertas foram publicadas na revista Astronomy &Astrophysics .



Isto é importante porque, ao investigar e classificar galáxias, as "relações de escala" desempenham um papel importante na compreensão das formações e evoluções das galáxias. São relações significativas que ajudam a prever outras propriedades de uma estrela, nebulosa e galáxia se certas propriedades mais simples forem conhecidas, por exemplo, tendências entre propriedades como massa, tamanho, luminosidade e cores.

Ao estudar galáxias, uma relação frequentemente relatada é com a “metalicidade” da galáxia. Como a grande maioria da massa comum (não escura) do universo – cerca de 98% – é hidrogênio ou hélio, os astrônomos chamam o restante de “metais” e chamam sua abundância de “metalicidade”. Os metais foram produzidos muito (relativamente) depois do Big Bang, portanto o grau de metalicidade de um objeto é uma indicação da atividade estelar após o Big Bang.

A metalicidade é definida como a fração de massa dos metais dividida pela massa da estrela, nebulosa ou galáxia. (Na prática, os astrônomos têm algumas maneiras de calcular a metalicidade, mas todas indicam o grau de elementos mais pesados.) Na prática, muitas vezes apenas o oxigênio ou o ferro são usados ​​como substitutos da metalicidade. O oxigênio é o elemento pesado mais abundante no universo, e o ferro também é comum por ter o núcleo mais estável.

No presente estudo, liderado por Laura Sánchez-Menguiano, da Universidade de Granada, na Espanha, o grupo usou dados de mais de 3.000 galáxias próximas em formação de estrelas da pesquisa Mapping Near Galaxies feita no Observatório Apache Point, no Novo México, nos Estados Unidos. .

Usando 148 parâmetros que descrevem algum aspecto de cada galáxia neste conjunto, o grupo usou um algoritmo de computador chamado "algoritmo de regressor de floresta aleatória" para estabelecer relações de escala entre os muitos parâmetros galácticos, para todo este grupo de galáxias, para encontrar aquele que melhor prevê a metalicidade da fase gasosa da galáxia, que é a metalicidade dos gases no meio interestelar da galáxia.

Para a metalicidade da fase gasosa, eles usaram como proxy a razão entre a abundância de oxigênio – uma substância química que rastreia a evolução das galáxias – e a massa de hidrogênio, medida à distância de um raio efetivo da galáxia.

A quantidade de metais nas galáxias aumenta gradualmente, à medida que as estrelas se formam continuamente numa galáxia, e à medida que as estrelas se transformam em supernovas, expelindo toda a sua massa elementar no meio interestelar galáctico. Os processos internos das galáxias, assim como outros processos externos, deixam uma marca na metalicidade da fase gasosa, que os astrônomos descobriram ser uma ferramenta muito poderosa para compreender as características e o desenvolvimento das galáxias.

O algoritmo de floresta aleatória é uma técnica de aprendizado de máquina supervisionada que os astrônomos têm usado extensivamente na comunidade astronômica com grande sucesso. A técnica usou uma combinação de árvores de decisão que encontra os recursos de entrada que contêm mais informações sobre uma saída ou recurso de destino. Aqui as características de entrada foram as muitas propriedades galácticas, e a característica alvo foi a metalicidade da fase gasosa.

Em última análise, o algoritmo, através de muitas combinações de árvores de decisão, cria um modelo para prever o recurso alvo usando um conjunto de condições sobre os valores dos muitos recursos de entrada.

A regressão mostrou que o melhor preditor da metalicidade da fase gasosa era o potencial gravitacional bariônico da galáxia, a razão entre a massa estelar e o raio efetivo. (A constante gravitacional G não está incluída, porque é uma constante que apenas atrapalha e pode sempre ser adicionada posteriormente, se desejado.)

Os bárions são partículas, como o próton ou o nêutron, feitas de três constituintes – quarks. Estas partículas interagem através da força forte, de modo que o elétron não é um bárion. (Em qualquer caso, a massa de um próton e de um nêutron é quase 2.000 vezes maior que a de um elétron, então os elétrons contribuem muito pouco para a massa estelar e interestelar.)

O potencial gravitacional bariônico de uma galáxia fornece uma previsão melhor da metalicidade da fase gasosa do que a massa estelar galáctica. Na verdade, a análise mostrou que a dependência mais forte era a razão (massa estelar total sobre o raio efetivo) elevada à potência de 0,6. O resultado foi bom para massas galácticas entre 300 milhões e 300 mil milhões de vezes a massa do Sol. O grupo argumenta que a potência 0,6, menor que um, é responsável pela inclusão de matéria escura na galáxia.

"Encontrar as relações mais estreitas e fundamentais ajuda-nos a melhorar a nossa compreensão sobre como funcionam as galáxias e é crucial para refinar simulações futuras," disse Sánchez-Menguiano. “É importante agora investigar o papel deste parâmetro noutros processos sofridos por uma galáxia ao longo da sua vida para melhorar a nossa compreensão sobre o processo global de formação e evolução de galáxias.”

Ainda assim, o estudo encontrou evidências de que o potencial gravitacional bariônico por si só não pode prever a metalicidade da fase gasosa, e outros parâmetros secundários poderiam desempenhar um papel notável na sua determinação. Um estudo futuro está em andamento para investigar mais detalhadamente essas relações.

Mais informações: Laura Sánchez-Menguiano et al, A massa estelar não é o melhor preditor da metalicidade da galáxia, Astronomia e Astrofísica (2023). DOI:10.1051/0004-6361/202346708
Informações do diário: Astronomia e Astrofísica

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