Une équipe d'astronomes a découvert que la masse totale des étoiles dans une galaxie n'est pas un bon indicateur de l'abondance d'éléments plus lourds dans la galaxie, un résultat surprenant selon des études antérieures. Au lieu de cela, le potentiel gravitationnel d’une galaxie est un bien meilleur indicateur. Les résultats sont publiés dans la revue Astronomy &Astrophysics .

Ceci est important car lors de l’étude et de la classification des galaxies, les « relations d’échelle » jouent un rôle important dans la compréhension des formations et des évolutions des galaxies. Il s'agit de relations significatives qui aident à prédire d'autres propriétés d'une étoile, d'une nébuleuse et d'une galaxie si certaines propriétés plus simples sont connues, par exemple les tendances entre des propriétés telles que la masse, la taille, la luminosité et les couleurs.

Lors de l'étude des galaxies, une relation souvent rapportée concerne la « métallicité » de la galaxie. Comme la grande majorité de la masse ordinaire (non sombre) de l'univers – environ 98 % – est constituée d'hydrogène ou d'hélium, les astronomes appellent le reste des « métaux » et leur abondance « métallicité ». Les métaux ont été produits longtemps (relativement) après le Big Bang, donc le degré de métallicité d'un objet est une indication de l'activité stellaire après le Big Bang.

La métallicité est définie comme la fraction massique des métaux divisée par la masse de l'étoile, de la nébuleuse ou de la galaxie. (En pratique, les astronomes disposent de plusieurs méthodes pour calculer la métallicité, mais toutes indiquent le degré d'éléments plus lourds.) En pratique, seuls l'oxygène ou le fer sont souvent utilisés comme indicateurs de la métallicité. L'oxygène est l'élément lourd le plus abondant dans l'univers, et le fer est également courant car il possède le noyau le plus stable.

Dans la présente étude, dirigée par Laura Sánchez-Menguiano de l'Université de Grenade en Espagne, le groupe a utilisé des données sur plus de 3 000 galaxies proches en formation d'étoiles issues de l'enquête Mapping Near Galaxies réalisée à l'observatoire Apache Point au Nouveau-Mexique aux États-Unis. .

En utilisant 148 paramètres qui décrivent certains aspects de chaque galaxie de cet ensemble, le groupe a utilisé un algorithme informatique appelé « algorithme de régresseur de forêt aléatoire » pour établir des relations d'échelle entre les nombreux paramètres galactiques, pour tout ce groupe de galaxies, afin de trouver celui qui prédit le mieux la métallicité de la phase gazeuse de la galaxie, qui est la métallicité des gaz dans le milieu interstellaire de la galaxie.

Pour la métallicité de la phase gazeuse, ils ont utilisé comme indicateur le rapport entre l'abondance de l'oxygène (un produit chimique qui retrace l'évolution des galaxies) et la masse de l'hydrogène, mesuré à une distance d'un rayon effectif de la galaxie.

La quantité de métaux dans les galaxies augmente progressivement, à mesure que les étoiles se forment continuellement dans une galaxie et que les étoiles se transforment en supernova, déversant toute leur masse élémentaire dans le milieu interstellaire galactique. Les processus internes des galaxies, ainsi que d'autres processus externes, laissent une empreinte sur la métallicité de la phase gazeuse, qui, selon les astronomes, constitue un outil très puissant pour comprendre les caractéristiques et le développement des galaxies.

L’algorithme de forêt aléatoire est une technique d’apprentissage automatique supervisé que les astronomes ont largement utilisée avec beaucoup de succès dans la communauté astronomique. La technique utilisait une combinaison d'arbres de décision qui recherchent les entités d'entrée contenant le plus d'informations sur une entité de sortie ou cible. Ici, les caractéristiques d'entrée étaient les nombreuses propriétés galactiques, et la caractéristique cible était la métallicité en phase gazeuse.

En fin de compte, l'algorithme, grâce aux nombreuses combinaisons d'arbres de décision, crée un modèle pour prédire la caractéristique cible en utilisant un ensemble de conditions sur les valeurs des nombreuses caractéristiques d'entrée.

La régression a montré que le meilleur indicateur de la métallicité de la phase gazeuse était le potentiel gravitationnel baryonique de la galaxie, le rapport entre la masse stellaire et le rayon effectif. (La constante gravitationnelle G n'est pas incluse, car c'est une constante qui ne fait que gêner et qui pourrait toujours être ajoutée plus tard si vous le souhaitez.)

Les baryons sont des particules, comme le proton ou le neutron, constituées de trois constituants :les quarks. Ces particules interagissent via la force forte, l'électron n'est donc pas un baryon. (Dans tous les cas, la masse d'un proton et d'un neutron est près de 2 000 fois supérieure à celle d'un électron, les électrons contribuent donc très peu à la masse stellaire et interstellaire.)

Le potentiel gravitationnel baryonique d'une galaxie donne une meilleure prédiction de la métallicité de la phase gazeuse que la masse stellaire galactique. En fait, l’analyse a montré que la plus forte dépendance était le rapport (masse totale de l’étoile sur rayon effectif) à la puissance 0,6. Le résultat était bon pour des masses galactiques comprises entre 300 millions et 300 milliards de fois la masse du soleil. Le groupe soutient que la puissance 0,6, inférieure à un, explique l'inclusion de matière noire dans la galaxie.

"Trouver les relations les plus étroites et les plus fondamentales nous aide à améliorer notre compréhension du fonctionnement des galaxies et est crucial pour affiner les simulations futures", a déclaré Sánchez-Menguiano. "Il est important maintenant d'étudier le rôle de ce paramètre sur d'autres processus subis par une galaxie au cours de sa vie afin d'améliorer notre compréhension du processus global de formation et d'évolution des galaxies."

Néanmoins, l’étude a trouvé des preuves que le potentiel gravitationnel baryonique ne peut à lui seul prédire la métallicité de la phase gazeuse, et que d’autres paramètres secondaires pourraient jouer un rôle notable dans sa détermination. Une future étude est en cours pour approfondir ces relations.

Plus d'informations : Laura Sánchez-Menguiano et al, La masse stellaire n'est pas le meilleur prédicteur de la métallicité des galaxies, Astronomie et astrophysique (2023). DOI :10.1051/0004-6361/202346708

Informations sur le journal : Astronomie et astrophysique

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