Crédito: NASA, ESA e Johan Richard; Agradecimento: Davide de Martin e James Long (ESA/Hubble)
Pesquisas recentes revelaram que galáxias em ambientes mais densos tendem a ser significativamente maiores do que aquelas isoladas, desafiando as teorias existentes sobre a formação de galáxias.
Esta descoberta foi possível graças a aprendizado de máquina e dados extensivos de milhões de galáxias. As descobertas levantam novas questões sobre o papel da matéria escura e das fusões de galáxias na formação do cosmos.
Galáxias em ambientes densos vs. isolados
Por décadas, cientistas sabem que algumas galáxias residem em ambientes densos com muitas outras galáxias por perto. Outras vagam pelo cosmos essencialmente sozinhas, com poucas ou nenhuma outra galáxia em seu canto do universo.
Um novo estudo descobriu uma grande diferença entre galáxias nesses cenários divergentes: galáxias com mais vizinhos tendem a ser maiores do que suas contrapartes, que têm forma e massa semelhantes, mas residem em ambientes menos densos. Em um artigo publicado em 14 de agosto no Revista Astrofísicapesquisadores do Universidade de Washington, Universidade de Yaleo Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, na Alemanha, e a Universidade Waseda, no Japão, relatam que galáxias encontradas em regiões mais densas do universo são até 25% maiores que galáxias isoladas.
Aprendizado de máquina revela tendências galácticas
A pesquisa, que usou uma nova ferramenta de aprendizado de máquina para analisar milhões de galáxias, ajuda a resolver um debate de longa data entre astrofísicos sobre a relação entre o tamanho de uma galáxia e seu ambiente. As descobertas também levantam novas questões sobre como as galáxias se formam e evoluem ao longo de bilhões de anos.
“As teorias atuais de formação e evolução de galáxias não conseguem explicar adequadamente a descoberta de que galáxias aglomeradas são maiores do que suas contrapartes idênticas em regiões menos densas do universo”, disse a autora principal Aritra Ghosh, pesquisadora de pós-doutorado em astronomia da UW e bolsista LSST-DA Catalyst do Instituto DiRAC da UW. “Essa é uma das coisas mais interessantes sobre astrofísica. Às vezes, o que as teorias preveem que deveríamos encontrar e o que uma pesquisa realmente encontra não estão em concordância, então voltamos e tentamos modificar as teorias existentes para explicar melhor as observações.”
Estudos passados contraditórios sobre o tamanho da galáxia
Estudos anteriores que analisaram a relação entre o tamanho da galáxia e o ambiente apresentaram resultados contraditórios. Alguns determinaram que galáxias em aglomerados eram menores do que galáxias isoladas. Outros chegaram à conclusão oposta. Os estudos eram geralmente muito menores em escopo, com base em observações de centenas ou milhares de galáxias.
Neste novo estudo, Ghosh e seus colegas utilizaram uma pesquisa de milhões de galáxias conduzida usando o Telescópio Subaru no Havaí. Este esforço, conhecido como Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program, tirou imagens de alta qualidade de cada galáxia. A equipe selecionou aproximadamente 3 milhões de galáxias com dados da mais alta qualidade e usou um algoritmo de aprendizado de máquina para determinar o tamanho de cada uma. Em seguida, os pesquisadores essencialmente colocaram um círculo — um com um raio de 30 milhões de anos-luz — ao redor de cada galáxia. O círculo representa a vizinhança imediata da galáxia. Eles então fizeram uma pergunta simples: Quantas galáxias vizinhas estão dentro desse círculo?
A resposta mostrou uma tendência geral clara: galáxias com mais vizinhos também eram, em média, maiores.
O papel da matéria escura e das fusões
Pode haver muitas razões para isso. Talvez galáxias densamente aglomeradas sejam simplesmente maiores quando se formam pela primeira vez, ou tenham mais probabilidade de passar por fusões eficientes com vizinhos próximos. Talvez a matéria escura — aquela substância misteriosa que compõe a maior parte da matéria no universo, mas não pode ser detectada diretamente por nenhum meio atual — desempenhe um papel. Afinal, as galáxias se formam dentro de “halos” individuais de matéria escura e a atração gravitacional desses halos desempenha um papel crítico em como as galáxias evoluem.
“Astrofísicos teóricos terão que realizar estudos mais abrangentes usando simulações para estabelecer conclusivamente por que galáxias com mais vizinhos tendem a ser maiores”, disse Ghosh. “Por enquanto, o melhor que podemos dizer é que estamos confiantes de que essa relação entre o ambiente da galáxia e o tamanho da galáxia existe.”
Avanços em Aprendizado de Máquina para Astronomia
Utilizar um conjunto de dados incrivelmente grande como o Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program ajudou a equipe a chegar a uma conclusão clara. Mas isso é apenas parte da história. A nova ferramenta de aprendizado de máquina que eles usaram para ajudar a determinar o tamanho de cada galáxia individual também foi responsável por incertezas inerentes nas medições do tamanho da galáxia.
“Uma lição importante que aprendemos antes deste estudo é que resolver esta questão não requer apenas pesquisar um grande número de galáxias”, disse Ghosh. “Você também precisa de uma análise estatística cuidadosa. Uma parte disso vem de ferramentas de aprendizado de máquina que podem quantificar com precisão o grau de incerteza em nossas medições de propriedades de galáxias.”
GaMPEN: Uma ferramenta para o futuro
A ferramenta de aprendizado de máquina que eles usaram é chamada GaMPEN — ou Galaxy Morphology Posterior Estimation Network. Como aluno de doutorado em Yale, Ghosh liderou o desenvolvimento do GaMPEN, que foi revelado em artigos publicados em 2022 e 2023 no Astrophysical Journal. A ferramenta está disponível gratuitamente online e pode ser adaptada para analisar outras grandes pesquisas, disse Ghosh.
Embora este novo estudo se concentre em galáxias, ele também prevê os tipos de pesquisa — centrada em análises complexas de conjuntos de dados incrivelmente grandes — que em breve tomarão a astronomia de assalto. Quando uma geração de novos telescópios com câmeras potentes, incluindo o Observatório Vera C. Rubin no Chile, entrar em operação, eles coletarão enormes quantidades de dados sobre o cosmos todas as noites. Em antecipação, os cientistas têm desenvolvido novas ferramentas como o GaMPEN que podem utilizar esses grandes conjuntos de dados para responder a perguntas urgentes em astrofísica.
“Muito em breve, grandes conjuntos de dados serão a norma na astronomia”, disse Ghosh. “Este estudo é uma demonstração perfeita do que você pode fazer com eles — quando você tem as ferramentas certas.”
Referência: “Ambientes mais densos cultivam galáxias maiores: um estudo abrangente além do universo local com 3 milhões de galáxias Hyper Suprime-Cam” por Aritra Ghosh, C. Megan Urry, Meredith C. Powell, Rhythm Shimakawa, Frank C. van den Bosch, Daisuke Nagai, Kaustav Mitra e Andrew J. Connolly, 14 de agosto de 2024, O Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad596f
Os coautores do estudo são Meg Urry, professora de física e astronomia em Yale; Meredith Powell, pesquisadora do Instituto Leibniz; Rhythm Shimakawa, professor associado da Universidade Waseda; Frank van den Bosch, professor de astronomia de Yale; Daisuke Nagai, professor de física e astronomia em Yale; Kaustav Mitra, aluno de doutorado em Yale; e Andrew Connolly, professor de astronomia na UW e membro do corpo docente do Instituto DiRAC e do Instituto eScience. A pesquisa foi financiada por NASAa Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências de Yale, a Fundação John Templeton, o Fundo Charles e Lisa Simonyi para Artes e Ciências, a Fundação de Pesquisa de Washington e o Instituto de eScience da UW.
