· Las nuevas escalas permiten estudiar tanto la composición química de galaxias cercanas como de las primeras galaxias del Universo observadas por el telescopio espacial James Webb
Un equipo internacional de científicos de México, España, Reino Unido, Alemania y Ucrania, dirigido por los científicos mexicanos Fernando Fabián Rosales Ortega, del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), y José Eduardo Méndez Delgado, del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), ha desarrollado una nueva generación de escalas para medir la composición química de las galaxias. El estudio se basa en la mayor colección de observaciones de alta calidad reunida hasta la fecha, resultado de más de una década de trabajo de recopilación y análisis. Este conjunto de datos permite redefinir las “reglas” que utilizan los astrónomos para transformar la luz de las galaxias en una medida de su contenido de elementos químicos.
Para entender el origen y la evolución de las galaxias, los astrónomos estudian la composición química de las nubes de gas presentes en ellas, conocidas como nebulosas. Estas regiones contienen numerosas estrellas recién formadas, cuya intensa radiación ultravioleta hace que el gas brille y emita grandes cantidades de luz. El gas contiene una gran diversidad de elementos químicos, muchos de ellos –como el carbono, oxígeno o nitrógeno– son producidos en el interior de generaciones anteriores de estrellas y liberados al espacio al final de sus vidas. Por ello, los astrónomos utilizan la composición química como una especie de registro fósil de la evolución de las galaxias: cuanto mayor es el enriquecimiento químico de una región, 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 transformar la luz de una galaxia en abundancias químicas no es sencillo. Requiere conocer con precisión la densidad y la temperatura del gas, así como el tipo de radiación que recibe de las estrellas. Para medir esas propiedades se necesitan observaciones de altísima calidad, con largos tiempos de exposición en algunos de los telescopios más grandes del mundo, capaces de detectar las emisiones más débiles de estas nebulosas, que son clave para revelar las condiciones físicas del gas.
Validación de las “reglas” para las estimaciones químicas
El equipo dirigido por los astrónomos mexicanos utilizó la base de datos DESIRED (DEep Spectra of Ionized REgions Database), una colección construida a lo largo de más de 10 años precisamente para reunir las observaciones espectroscópicas ópticas de más alta calidad en nuestra galaxia y en otras galaxias del Universo. En total, el estudio analizó 2392 observaciones, una cantidad de información física sin precedentes para este tipo de análisis. En este trabajo participaron activamente dos estudiantes del INAOE, Jonhatan Guerrero González y Omar Espíndola Camacho, quienes contribuyeron de manera sustancial a la labor de compilación y revisión de datos de la literatura que hizo posible construir esta muestra.
Con esta enorme colección de datos, los investigadores revisaron las 23 “reglas” –o calibraciones– que los astrónomos han utilizado históricamente para estimar la composición química de las galaxias a partir de su luz más brillante. Estas reglas, conocidas como “métodos de líneas fuertes”, permiten transformar la luz más brillante de las nebulosas en estimaciones de su abundancia química. Estas calibraciones abarcan líneas de oxígeno, nitrógeno, azufre, argón y neón, e incluyen 4 índices que no habían sido calibrados previamente de manera empírica. En total, el estudio proporciona 27 calibraciones basadas en observaciones de la más alta calidad, que cubren un amplio rango de condiciones físicas y constituyen una de las referencias empíricas más completas y robustas disponibles actualmente para determinar la composición química de las galaxias.
Existe además un problema fundamental que afecta desde hace décadas a las mediciones de composición química de las nebulosas. En 1967, el astrónomo mexicano Manuel Peimbert demostró que las variaciones de temperatura dentro de una nebulosa pueden introducir sesgos en las mediciones de abundancias químicas. En este nuevo trabajo, se establecen por primera vez las “reglas” bajo dos escenarios físicos diferentes: uno que supone una temperatura homogénea y otro que toma en cuenta las variaciones de temperatura. Al incluirlas, las abundancias químicas serían, en promedio, alrededor de un 35% mayores que las obtenidas con los métodos tradicionales, proporcionando una medida cuantitativa del efecto que tiene la estructura térmica del gas sobre la escala de abundancias.
Una nueva propuesta
El equipo también puso a prueba estas nuevas escalas con algunas de las galaxias más lejanas conocidas, formadas apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang 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. En los casos en los que aparecen diferencias, el equipo las atribuye a que en esas galaxias jóvenes la radiación es más intensa y la proporción de nitrógeno es distinta.
Este resultado permite utilizar una escala común para estudiar la evolución química de las galaxias a lo largo de gran parte de la historia del Universo, desde nuestro entorno cósmico hasta épocas en las que el Universo tenía sólo una fracción de su edad actual. Para la comunidad astronómica, esto significa disponer de un conjunto homogéneo de calibraciones con el que analizar observaciones obtenidas por diferentes telescopios y estudiar la evolución química de las galaxias sin depender de escalas construidas bajo supuestos físicos distintos. Las nuevas calibraciones, además, incorporan explícitamente las variaciones de temperatura del gas, proporcionando un nuevo estándar de referencia para la determinación de abundancias químicas y para los futuros estudios de la evolución química del Universo.
Este trabajo constituye el primer artículo de una serie dedicada al desarrollo de nuevas calibraciones de líneas fuertes de la colaboración DESIRED. Las nuevas reglas están disponibles de forma libre para toda la comunidad astronómica. El artículo fue publicado en la revista científica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), una de las principales publicaciones de astronomía y astrofísica a nivel internacional.
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. Link: https://arxiv.org/abs/2604.16273
De la luz a la composición química del Universo. El gas de las regiones de formación estelar emite líneas características cuya intensidad depende de sus condiciones físicas y de su composición química. Estas líneas permiten construir relaciones de calibración que transforman la luz observada de las galaxias en estimaciones de sus abundancias químicas. Las nuevas calibraciones DESIRED combinan líneas de emisión de oxígeno, nitrógeno, azufre, argón y neón para determinar empíricamente la composición química de galaxias cercanas y de galaxias del Universo temprano observadas con el telescopio espacial James Webb, considerando además dos escenarios de la estructura térmica del gas. Créditos: Ilustración: Fernando Fabián Rosales-Ortega; colaboración DESIRED, con asistencia de inteligencia artificial generativa.
Nuevas “reglas” para medir la química de las galaxias. Las seis gráficas muestran diferentes relaciones entre líneas de emisión que permiten transformar la luz de las regiones de formación estelar en estimaciones de su abundancia de oxígeno. Las calibraciones DESIRED, construidas a partir de miles de observaciones de alta calidad, consideran además dos escenarios para la estructura térmica del gas: uno con temperatura homogénea (línea amarilla) y otro que incorpora variaciones de temperatura (línea amarilla-negra discontinua). Créditos: Figura adaptada de Rosales-Ortega et al. (2026), MNRAS; colaboración DESIRED.