Durante décadas, los científicos han sabido que algunas galaxias viven en ambientes densos rodeados por muchas otras galaxias. Otros rincones del universo tienen pocas o ninguna otra galaxia, y esencialmente se mueven solas a través del universo.
Un nuevo estudio ha encontrado una gran diferencia entre las galaxias en estos diferentes entornos: las galaxias con más vecinas tienden a ser más grandes que sus contrapartes, que tienen formas similares, pero viven en entornos menos densos. En un artículo publicado el 14 de agosto La revista astrofísicaInvestigadores de la Universidad de Washington, la Universidad de Yale, el Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam en Alemania y la Universidad de Waseda en Japón han informado que las galaxias que se encuentran en regiones densas del Universo son un 25 por ciento más grandes que las galaxias aisladas.
La investigación, que utilizó una nueva herramienta de aprendizaje automático para analizar millones de galaxias, ayuda a resolver un largo debate entre los astrofísicos sobre la relación entre el tamaño de una galaxia y su entorno. Los hallazgos también plantean nuevas preguntas sobre cómo se forman y evolucionan las galaxias a lo largo de miles de millones de años.
“Las teorías actuales sobre la formación y evolución de galaxias no pueden explicar adecuadamente por qué las galaxias agrupadas son más grandes que sus contrapartes similares en regiones menos densas del Universo”, dijo Aritra Ghosh, investigadora postdoctoral en astronomía de la Universidad de Washington y catalizadora del LSST-DA, autor principal de Philo. con el Instituto DIRAC de la Universidad de Washington. “Esa es una de las cosas más interesantes de la astrofísica. A veces, lo que las teorías predicen que deberíamos encontrar y lo que una encuesta realmente encuentra no concuerdan, por lo que volvemos atrás e intentamos modificar las teorías existentes para explicar mejor las observaciones”.
Estudios anteriores que han analizado la relación entre el tamaño de las galaxias y la atmósfera han arrojado resultados contradictorios. Algunos determinaron que las galaxias en cúmulos eran más pequeñas que las galaxias aisladas. Otros llegaron a la conclusión opuesta. Los estudios basados en observaciones de cientos o miles de galaxias solían tener un alcance muy pequeño.
En este nuevo estudio, Ghosh y sus colegas utilizaron un estudio de millones de galaxias utilizando el Telescopio Subaru en Hawaii. El esfuerzo, conocido como Programa Estratégico Hyper Suprime-Cam Subaru, toma imágenes de alta calidad de cada galaxia. El equipo seleccionó alrededor de 3 millones de galaxias con datos de la más alta calidad y utilizó algoritmos de aprendizaje automático para determinar el tamaño de cada una. Luego, los investigadores esencialmente colocaron un círculo (un círculo con un radio de 30 millones de años luz) alrededor de cada galaxia. El círculo representa la región más cercana de la galaxia. Luego hicieron una pregunta sencilla: ¿Cuántas galaxias vecinas hay en este círculo?
La respuesta mostró una tendencia general clara: las galaxias con más vecinas también eran más grandes en promedio.
Puede haber muchas razones para esto. Quizás las galaxias con cúmulos más densos sean más grandes cuando se forman por primera vez, o tengan más probabilidades de experimentar fusiones eficientes con vecinas cercanas. Quizás la materia oscura, la misteriosa sustancia que constituye la mayor parte de la materia del universo, pero que no puede detectarse directamente por ningún medio actual, desempeñe un papel. Después de todo, las galaxias se forman dentro de “halos” individuales de materia oscura, y la atracción gravitacional de estos halos juega un papel importante en cómo evolucionan las galaxias.
“Los astrofísicos teóricos tendrán que realizar estudios más completos utilizando simulaciones para establecer definitivamente por qué las galaxias con más vecinas son más grandes”, dijo Ghosh. “Por ahora, lo mejor que podemos decir es que creemos que existe una relación entre el entorno galáctico y el tamaño de la galaxia”.
El uso de un conjunto de datos increíblemente grande como el Programa Estratégico Hyper Suprime-Cam Subaru ayudó al equipo a llegar a una conclusión clara. Pero eso es sólo una parte de la historia. La novedosa herramienta de aprendizaje automático utilizada para ayudar a determinar el tamaño de cada galaxia también tiene en cuenta la incertidumbre inherente en las mediciones del tamaño de las galaxias.
“Una lección importante que aprendimos antes de este estudio es que no basta con estudiar un gran número de galaxias para abordar esta cuestión”, dijo Ghosh. “También se necesita un análisis estadístico cuidadoso. Parte de eso proviene de herramientas de aprendizaje automático que pueden cuantificar con precisión el grado de incertidumbre en nuestras mediciones de las propiedades de las galaxias”.
La herramienta de aprendizaje automático que utilizaron se llama GaMPEN, o Galaxy Morphology Posterior Estimation Network. Como estudiante de doctorado en Yale, Ghosh dirigió el desarrollo de GaMPEN, que se dio a conocer en artículos publicados en 2022 y 2023. El diario astrofísico. La herramienta está disponible gratuitamente en línea y se puede adaptar para analizar otras encuestas grandes, dijo Ghosh.
Aunque este nuevo estudio se centra en las galaxias, también presagia el tipo de investigación, centrada en análisis complejos de conjuntos de datos increíblemente grandes, que pronto arrasará con la astronomía. Cuando entre en funcionamiento una nueva generación de telescopios con potentes cámaras, incluido el Observatorio Vera C. Rubin en Chile, recopilarán cantidades masivas de datos sobre el cosmos todas las noches. Como era de esperar, los científicos están desarrollando nuevas herramientas como GaMPEN que pueden utilizar estos grandes conjuntos de datos para responder preguntas importantes en astrofísica.
“Muy pronto, los grandes conjuntos de datos se convertirán en la norma en astronomía”, afirmó Ghosh. “Este estudio es una gran demostración de lo que se puede hacer con ellos, cuando se tienen las herramientas adecuadas”.
Los coautores del estudio son Meg Urey, profesora de física y astronomía en Yale. Meredith Powell, investigadora del Instituto Leibniz; Ritham Shimakawa, profesor asociado de la Universidad de Waseda; Frank van den Bosch, profesor de Astronomía de Yale; Daisuke Nagai, profesor de física y astronomía de Yale; Kastav Mitra, estudiante de doctorado en Yale; y Andrew Connolly, profesor de astronomía en la Universidad de Washington y miembro del cuerpo docente del Instituto DIRAC y del Instituto eScience. La investigación fue financiada por la NASA, la Escuela de Graduados en Artes y Ciencias de Yale, la Fundación John Templeton, el Fondo Charles y Lisa Simoni para las Artes y las Ciencias, la Fundación de Investigación de Washington y el Instituto de Ciencias de la Universidad de Washington.
