Прогнозируемая металличность газовой фазы (Zg) в сравнении с измеренной металличностью газовой фазы. Фото: Астрономия и астрофизика (2023). DOI: 10.1051/0004-6361/202346708
Команда астрономов обнаружила, что общая масса звезд в галактике не является хорошим предиктором содержания в галактике более тяжелых элементов, что является неожиданным результатом, согласно предыдущим исследованиям. Вместо этого гравитационный потенциал галактики является гораздо лучшим предсказателем. Результаты опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysicals.
Это важно, потому что при исследовании и классификации галактик «масштабные отношения» играют важную роль в понимании формирования и эволюции галактик. Это важные отношения, которые помогают предсказать другие свойства звезды, туманности и галактики, если известны некоторые более простые свойства, например, тенденции между такими свойствами, как масса, размер, светимость и цвета.
При изучении галактик часто упоминается связь с «металличностью» галактики. Поскольку подавляющее большинство обычной (нетемной) массы Вселенной — около 98% — представляет собой водород или гелий, остальные астрономы называют «металлами», а их распространенность — «металличностью». Металлы образовались спустя много времени (относительно) после Большого взрыва, поэтому степень металличности объекта является показателем звездной активности после Большого взрыва.
Металличность определяется как массовая доля металлов, деленная на массу звезды, туманности или галактики. (На практике у астрономов есть несколько способов расчета металличности, но все они указывают степень более тяжелых элементов.) На практике часто в качестве показателей металличности используются только кислород или железо. Кислород является наиболее распространенным тяжелым элементом во Вселенной, а железо также широко распространено, поскольку оно имеет наиболее стабильное ядро.
В настоящем исследовании, проведенном Лаурой Санчес-Менгиано из Университета Гренады в Испании, группа использовала данные о более чем 3000 близлежащих звездообразующих галактиках из исследования Mapping Nearby Galaxies, проведенного в обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико, США. .
Относительная важность различных галактических параметров для масштабного соотношения металличности газовой фазы. Φ — барионный гравитационный потенциал. Источник: Открытый доступ по лицензии CC BY (Международная лицензия Creative Commons Attribution 4.0).
Используя 148 параметров, которые описывают некоторые аспекты каждой галактики в этом наборе, группа использовала компьютерный алгоритм, называемый «алгоритмом случайного лесного регрессора», чтобы установить масштабные отношения между многими галактическими параметрами для всей этой группы галактик и найти тот, который лучше всего предсказывает металличность газовой фазы галактики, которая представляет собой металличность газов в межзвездной среде галактики.
Для металличности газовой фазы они использовали в качестве показателя отношение содержания кислорода — химического вещества, которое отслеживает эволюцию галактик — к массе водорода, измеренной на расстоянии одного эффективного радиуса галактики.
Количество металлов в галактиках постепенно увеличивается по мере того, как в галактике постоянно формируются звезды и по мере того, как звезды становятся сверхновыми, извергая всю свою элементарную массу в галактическую межзвездную среду. Внутренние процессы галактик, а также другие внешние процессы оставляют отпечаток на металличности газовой фазы, которая, как обнаружили астрономы, является очень мощным инструментом для понимания характеристик и развития галактик.
Алгоритм случайного леса — это метод контролируемого машинного обучения, который астрономы широко и с большим успехом используют в астрономическом сообществе. В этом методе использовалась комбинация деревьев решений, которая находит входные объекты, содержащие больше всего информации о выходных или целевых объектах. Здесь входными признаками были многие галактические свойства, а целевой характеристикой была металличность газовой фазы.
В конечном итоге алгоритм с помощью множества комбинаций деревьев решений создает модель для прогнозирования целевого признака, используя набор условий для значений многих входных признаков.
Регрессия показала, что лучшим предсказателем металличности газовой фазы является барионный гравитационный потенциал галактики, отношение массы звезды к эффективному радиусу. (Гравитационная постоянная G не включена, потому что это константа, которая только мешает и при желании всегда может быть добавлена позже.)
Барионы — это частицы, подобные протону или нейтрону, которые состоят из трех составляющих — кварков. Эти частицы взаимодействуют посредством сильного взаимодействия, поэтому электрон не является барионом. (В любом случае масса протона и нейтрона почти в 2000 раз больше массы электрона, поэтому вклад электронов в звездную и межзвездную массу очень мал.)
Барионный гравитационный потенциал галактики дает лучшее предсказание металличности газовой фазы, чем галактическая звездная масса. Фактически, анализ показал, что самой сильной зависимостью было отношение (общая звездная масса к эффективному радиусу) к степени 0,6. Результат оказался хорошим для галактик с массой от 300 до 300 миллиардов раз больше массы Солнца. Группа утверждает, что степень 0,6, меньше единицы, объясняет наличие темной материи в галактике.
«Нахождение самых тесных и фундаментальных взаимосвязей помогает нам улучшить наше понимание того, как работают галактики, и имеет решающее значение для совершенствования будущих моделей», — сказал Санчес-Менгиано. «Сейчас важно изучить роль этого параметра в других процессах, происходящих в галактике на протяжении ее жизни, чтобы улучшить наше понимание глобального процесса формирования и эволюции галактик».
Тем не менее, исследование действительно обнаружило доказательства того, что барионный гравитационный потенциал сам по себе не может предсказать металличность газовой фазы, а другие вторичные параметры могут сыграть заметную роль в ее определении. В настоящее время проводится дальнейшее исследование для дальнейшего изучения этих взаимосвязей.
