Ett team av astronomer har funnit att den totala massan av stjärnor i en galax inte är en bra prediktor för galaxens överflöd av tyngre grundämnen, ett överraskande resultat enligt tidigare studier. Istället är gravitationspotentialen för en galax en mycket bättre prediktor. Resultaten publiceras i tidskriften Astronomy &Astrophysics .
Detta är viktigt eftersom när man undersöker och klassificerar galaxer spelar "skalningsrelationer" en viktig roll för att förstå galaxformationer och evolutioner. De är betydande samband som hjälper till att förutsäga andra egenskaper hos en stjärna, nebulosa och galax om vissa enklare egenskaper är kända, till exempel trender mellan egenskaper som massa, storlek, ljusstyrka och färger.
När man studerar galaxer är ett ofta rapporterat samband med galaxens "metallicitet". Eftersom den stora majoriteten av universums vanliga (icke-mörka) massa – cirka 98 % – är väte eller helium, kallar astronomer resten för "metaller" och kallar deras överflöd för "metallicitet". Metaller producerades långt (relativt) efter Big Bang, så graden av metallicitet hos ett föremål är en indikation på stjärnaktivitet efter Big Bang.
Metallicitet definieras som massandelen av metallerna dividerad med massan av stjärnan, nebulosan eller galaxen. (I praktiken har astronomer några sätt att beräkna metallicitet, men alla anger graden av tyngre grundämnen.) I praktiken används ofta bara syre eller järn som proxy för metalliciteten. Syre är det vanligaste tunga grundämnet i universum, och järn är också vanligt eftersom det har den mest stabila kärnan.
I den aktuella studien, ledd av Laura Sánchez-Menguiano från University of Grenada i Spanien, använde gruppen data om mer än 3 000 närliggande stjärnbildande galaxer från kartläggningen av närliggande galaxer som gjordes vid Apache Point Observatory i New Mexico i USA .
Med hjälp av 148 parametrar som beskriver någon aspekt av varje galax i denna uppsättning, använde gruppen en datoralgoritm som kallas "random forest regressor algorithm" för att etablera skalningsrelationer mellan de många galaktiska parametrarna, för hela gruppen av galaxer, för att hitta den som förutsäger bäst galaxens metallicitet i gasfas, vilket är metalliciteten hos gaserna i galaxens interstellära medium.
För gasfasmetalliciteten använde de som proxy förhållandet mellan syreförekomsten – en kemikalie som spårar galaxernas utveckling – och vätemassan, mätt på ett avstånd av en effektiv radie av galaxen.
Mängden metaller i galaxer ökar gradvis, eftersom stjärnor ständigt bildas i en galax, och allt eftersom stjärnorna blir supernova och spyr ut all sin elementära massa i det galaktiska interstellära mediet. Galaxernas interna processer, såväl som andra, externa processer, lämnar ett avtryck på gasfasmetalliciteten, som astronomer har funnit är ett mycket kraftfullt verktyg för att förstå galaxernas egenskaper och utveckling.
Den slumpmässiga skogsalgoritmen är en övervakad maskininlärningsteknik som astronomer har använt flitigt i det astronomiska samhället med stor framgång. Tekniken använde en kombination av beslutsträd som hittar de indatafunktioner som innehåller mest information om en utdata eller målfunktion. Här var ingångsegenskaperna de många galaktiska egenskaperna, och målfunktionen var gasfasmetalliciteten.
I slutändan skapar algoritmen, genom de många kombinationerna av beslutsträd, en modell för att förutsäga målfunktionen med hjälp av en uppsättning villkor för värdena för de många indatafunktionerna.
Regressionen visade att den bästa prediktorn för gasfasmetalliciteten var galaxens baryoniska gravitationspotential, förhållandet mellan stjärnmassan och den effektiva radien. (Gravitationskonstanten G ingår inte, eftersom det är en konstant som bara kommer i vägen och som alltid kan läggas till senare om så önskas.)
Baryoner är partiklar, som protonen eller neutronen, som är gjorda av tre beståndsdelar - kvarkar. Dessa partiklar samverkar via den starka kraften, så elektronen är inte en baryon. (I alla fall är massan av en proton och neutron nästan 2 000 gånger större än en elektron, så elektroner bidrar väldigt lite till stjärn- och interstellär massa.)
Den baryoniska gravitationspotentialen för en galax ger en bättre förutsägelse av gasfasmetalliciteten än den galaktiska stjärnmassan. Faktum är att analys visade att det starkaste beroende var förhållandet (total stjärnmassa över effektiv radie) till 0,6-effekten. Resultatet var bra för galaktiska massor mellan 300 miljoner och 300 miljarder gånger solens massa. Gruppen hävdar att styrkan 0,6, mindre än en, står för införandet av mörk materia i galaxen.
"Att hitta de tätaste och mest grundläggande relationerna hjälper oss att förbättra vår förståelse för hur galaxer fungerar och är avgörande för att förfina framtida simuleringar", säger Sánchez-Menguiano. "Det är viktigt att nu undersöka vilken roll denna parameter har på andra processer som genomgått en galax under dess livstid för att förbättra vår förståelse för den globala processen för galaxbildning och evolution."
Ändå fann studien bevis för att den baryoniska gravitationspotentialen ensam inte kan förutsäga gasfasmetalliciteten, och andra sekundära parametrar kan spela en anmärkningsvärd roll för att bestämma den. En framtida studie pågår för att undersöka dessa samband ytterligare.
Mer information: Laura Sánchez-Menguiano et al. Stjärnmassan är inte den bästa prediktorn för galaxens metallicitet, Astronomy &Astrophysics (2023). DOI:10.1051/0004-6361/202346708
Journalinformation: Astronomi och astrofysik
© 2024 Science X Network
