Un equipo internacional, en el que participa personal investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha desarrollado una nueva generación de calibraciones que permiten estimar la composición química (metalicidad) tanto de las galaxias cercanas como de las más lejanas y tempranas del Universo observadas por el telescopio espacial James Webb. El estudio se basa en el análisis de la mayor colección de observaciones espectroscópicas de alta calidad reunida hasta la fecha, resultado de más de una década de trabajo de recopilación y análisis.

Para entender el origen y la evolución de las galaxias, se estudia la composición química a través del espectro de las nubes de gas ionizado que albergan, conocidas como regiones HII. La emisión de estas nebulosas proviene de la excitación producida por la luz ultravioleta de las estrellas masivas recién formadas en su interior. Las regiones HII, como cualquier otro objeto cósmico, contienen distintos elementos químicos sintetizados por generaciones anteriores de estrellas y liberados al espacio al final de sus vidas. Por ello, la metalicidad de una galaxia constituye una especie de registro fósil de su evolución a lo largo del tiempo: cuanto mayor metalicidad presenta, mayor ha sido el procesamiento del gas por generaciones anteriores de estrellas, lo que permite reconstruir la historia de formación y evolución de las galaxias a lo largo de la historia cósmica. 

Pero determinar la composición química de una región HII a partir de su espectro no es un proceso sencillo. Requiere conocer con precisión la densidad y la temperatura del gas, así como las características de la radiación que recibe de las estrellas. Para medir esas propiedades se necesitan observaciones de alta calidad, con largos tiempos de exposición en algunos de los telescopios más grandes del mundo, capaces incluso de detectar la emisión de las nebulosas en galaxias débiles y lejanas.

El equipo de investigación, liderado por Fabián F. Rosales-Ortega (INAOE, México), utilizó la base de datos DESIRED (DEep Spectra of Ionized REgions Database), una colección construida a lo largo de más de diez años que reúne observaciones espectroscópicas ópticas de alta calidad de nebulosas ionizadas, tanto de nuestra Vía Láctea como de otras galaxias del Universo. En total, el estudio utilizó casi 2.392 observaciones, una cantidad de información sin precedentes para este tipo de análisis. “Podemos revisar los métodos que se usan para medir la composición química de las galaxias sobre una base mucho más sólida que hasta ahora”, afirma Rosales-Ortega, primer autor del artículo.

27 calibraciones para medir la metalicidad

Con este conjunto de datos y recalculando todos los parámetros necesarios de forma homogénea, el personal investigador obtuvo nuevas formulaciones para las 23 escalas o calibraciones que se han utilizado históricamente para estimar la metalicidad de las galaxias cuando no es posible determinar la temperatura del gas a partir de su espectro. La metalicidad se expresa mediante la abundancia de oxígeno, es decir, el cociente entre el número de partículas de este elemento y el de hidrógeno. Estas calibraciones se construyen a partir de la intensidad de las líneas espectrales más brillantes de las regiones HII, razón por la que se denominan “métodos de líneas fuertes” y utilizan distintas combinaciones de líneas de oxígeno, nitrógeno, azufre, argón y neón.

Además, el estudio incorpora cuatro métodos nuevos que no habían sido calibrados previamente de manera empírica. En total, proporciona formulaciones para 27 calibraciones basadas en observaciones de alta calidad, que amplían el rango de condiciones físicas en las que pueden aplicarse y constituyen una de las referencias empíricas más completas y robustas disponibles actualmente para estimar la metalicidad de las galaxias. “Estas calibraciones son imprescindibles en galaxias lejanas, donde las líneas débiles no se detectan, y usar una muestra tan amplia y de tanta calidad aumenta la fiabilidad de las metalicidades que se derivan”, explica Jorge García-Rojas, investigador del IAC y coautor del artículo.

Existe, además, un problema fundamental que afecta desde hace décadas a la determinación de la composición química de las nebulosas: las fluctuaciones de temperatura en su interior pueden introducir sesgos en el cálculo de las abundancias químicas. En este nuevo trabajo se formulan, por primera vez, las calibraciones de métodos de líneas fuertes bajo dos escenarios físicos diferentes: uno tradicional, que supone una temperatura homogénea en los objetos, y otro que tiene en cuenta las fluctuaciones de temperatura. Al incluirlas, las metalicidades resultan, en promedio, alrededor de un 35 % superiores a las obtenidas con los métodos tradicionales. Este resultado proporciona una medida cuantitativa del efecto que tiene la estructura térmica del gas sobre las estimaciones de metalicidad. “Incluir el efecto de las fluctuaciones de temperatura es una novedad en este tipo de estudios y ahora podemos saber cómo cambia la escala de metalicidades según el escenario que se adopte”, señala César Esteban, profesor titular de la Universidad de La Laguna, investigador del IAC y coautor del artículo.

Aplicación al Universo temprano

El equipo investigador también puso a prueba las nuevas escalas propuestas con datos espectrales de las galaxias más lejanas conocidas, formadas apenas unos cientos de millones de años después de la Gran Explosión y reveladas gracias al telescopio espacial James Webb (JWST). 

El análisis muestra que muchas de las calibraciones construidas a partir de galaxias del Universo cercano pueden proporcionar estimaciones fiables también en el Universo temprano, a grandes distancias cosmológicas. Las diferencias que aparecen en algunos casos pueden explicarse por la mayor intensidad de los campos de radiación ultravioleta de las estrellas y/o por una proporción distinta de nitrógeno en estas galaxias tempranas.

En definitiva, este trabajo permite utilizar una escala común para estudiar la evolución química de las galaxias a lo largo de gran parte de la historia cósmica, desde nuestro entorno espacial y temporal como hasta épocas en las que el Universo tenía sólo una fracción de su edad actual. 

El estudio ha contado con la contribución del siguiente personal investigador del IAC: César Esteban Jorge García-Rojas, Maialen Orte-García, Elena Reyes-Rodríguez y Sebastián F. Sánchez

Este trabajo constituye el primer artículo de una serie dedicada al desarrollo de nuevas calibraciones de líneas fuertes dentro de la colaboración internacional DESIRED. Las nuevas calibraciones están disponibles de forma libre para toda la comunidad astronómica. El artículo ha sido publicado en la revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), una de las principales publicaciones internacionales de astronomía y astrofísica.

Artículo: F. F. Rosales-Ortega, J. E. Méndez-Delgado, J. U. Guerrero-González, C. Esteban, J. García-Rojas, K. Z. Arellano-Córdova, A. Z. Lugo-Aranda, O. Espíndola-Camacho, J. C. López-Gutiérrez, L. E. Martínez-Rivero, C. Morisset, M. Orte-García, E. Reyes-Rodríguez, L. Toribio San Cipriano, K. Kreckel, O. Egorov, I. A. Zinchenko, S. F. Sánchez, and J. M. Vílchez. “The DESIRED strong-line calibrations: I. New empirical metallicity relations for the local and high-redshift universe”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2026. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stag1963

Contacto:
César Esteban, iac [at] iac.es (iac[at]iac[dot]es)
Jorge García-Rojas, jogarcia [at] iac.es (jogarcia[at]iac[dot]es)