Das IAC beteiligt sich an neuen Skalen zur Messung der chemischen Zusammensetzung von Galaxien

Ein internationales Team, an dem Forschende des Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) beteiligt sind, hat eine neue Generation von Kalibrierungen entwickelt, mit denen sich die chemische Zusammensetzung (Metallizität) sowohl naher als auch der fernsten und frühesten Galaxien des Universums abschätzen lässt, die vom Weltraumteleskop James Webb beobachtet wurden. Die Studie basiert auf der Analyse der bislang größten Sammlung hochwertiger spektroskopischer Beobachtungen, die das Ergebnis von mehr als einem Jahrzehnt Sammlung und Auswertung ist.

Metallizität als fossiles Zeugnis der Galaxienentwicklung

Um den Ursprung und die Entwicklung von Galaxien zu verstehen, wird ihre chemische Zusammensetzung anhand des Spektrums der darin enthaltenen ionisierten Gaswolken untersucht, die als HII-Regionen bekannt sind. Die Emission dieser Nebel stammt von der Anregung durch das ultraviolette Licht massereicher Sterne, die sich gerade in ihrem Inneren gebildet haben. HII-Regionen enthalten wie alle anderen kosmischen Objekte verschiedene chemische Elemente, die von früheren Sternengenerationen synthetisiert und am Ende ihres Lebens ins All freigesetzt wurden. Daher ist die Metallizität einer Galaxie eine Art fossiles Zeugnis ihrer Entwicklung im Laufe der Zeit: Je höher ihre Metallizität ist, desto stärker wurde das Gas von früheren Sternengenerationen verarbeitet. Dadurch lässt sich die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte von Galaxien im Laufe der kosmischen Geschichte rekonstruieren.

Die chemische Zusammensetzung einer HII-Region anhand ihres Spektrums zu bestimmen, ist jedoch kein einfacher Vorgang. Dazu müssen die Dichte und Temperatur des Gases sowie die Eigenschaften der Strahlung, die es von den Sternen empfängt, genau bekannt sein. Zur Messung dieser Eigenschaften sind hochwertige Beobachtungen mit langen Belichtungszeiten an einigen der größten Teleskope der Welt erforderlich, die sogar die Emission der Nebel in lichtschwachen und weit entfernten Galaxien detektieren können.

27 Kalibrierungen auf Grundlage der DESIRED-Datenbank

Das von Fabián F. Rosales-Ortega (INAOE, Mexiko) geleitete Forschungsteam nutzte die Datenbank DESIRED (DEep Spectra of Ionized REgions Database), eine über mehr als zehn Jahre aufgebaute Sammlung hochwertiger optischer spektroskopischer Beobachtungen ionisierter Nebel, sowohl aus unserer Milchstraße als auch aus anderen Galaxien des Universums.

Insgesamt wurden in der Studie fast 2.392 Beobachtungen ausgewertet – eine beispiellose Datenmenge für diese Art von Analyse. „Wir können die Methoden zur Messung der chemischen Zusammensetzung von Galaxien nun auf einer wesentlich solideren Grundlage als bisher überprüfen“, sagt Rosales-Ortega, Erstautor des Artikels.

Mit diesem Datensatz und einer einheitlichen Neuberechnung aller erforderlichen Parameter entwickelte das Forschungsteam neue Formeln für die 23 Skalen oder Kalibrierungen, die im Laufe der Zeit zur Abschätzung der Metallizität von Galaxien verwendet wurden, wenn sich die Gastemperatur nicht anhand ihres Spektrums bestimmen lässt. Die Metallizität wird über die Sauerstoffhäufigkeit angegeben, also über das Verhältnis zwischen der Anzahl der Teilchen dieses Elements und der Anzahl der Wasserstoffteilchen.

Diese Kalibrierungen beruhen auf der Intensität der hellsten Spektrallinien der HII-Regionen. Daher werden sie als „starke-Linien-Methoden“ bezeichnet und verwenden verschiedene Kombinationen von Linien aus Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Argon und Neon. Darüber hinaus umfasst die Studie vier neue Methoden, die zuvor noch nicht empirisch kalibriert worden waren. Insgesamt liefert sie Formeln für 27 Kalibrierungen auf Grundlage hochwertiger Beobachtungen. Diese erweitern den Bereich der physikalischen Bedingungen, unter denen sie angewendet werden können, und gehören derzeit zu den umfassendsten und zuverlässigsten empirischen Referenzen für die Abschätzung der Metallizität von Galaxien.

„Diese Kalibrierungen sind bei weit entfernten Galaxien unverzichtbar, in denen schwache Linien nicht detektiert werden. Eine so umfangreiche und hochwertige Stichprobe erhöht die Zuverlässigkeit der abgeleiteten Metallizitätswerte“, erklärt Jorge García-Rojas, Forscher am IAC und Mitautor des Artikels.

Die Auswirkungen von Temperaturschwankungen

Seit Jahrzehnten gibt es zudem ein grundlegendes Problem bei der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Nebeln: Temperaturschwankungen in ihrem Inneren können zu Verzerrungen bei der Berechnung der chemischen Häufigkeiten führen.

In dieser neuen Arbeit werden erstmals Kalibrierungen für starke-Linien-Methoden unter zwei unterschiedlichen physikalischen Szenarien erstellt: einem traditionellen Szenario, das eine einheitliche Temperatur in den Objekten voraussetzt, und einem weiteren, das Temperaturschwankungen berücksichtigt. Werden diese einbezogen, sind die Metallizitätswerte im Durchschnitt rund 35 % höher als die mit traditionellen Methoden ermittelten. Dieses Ergebnis liefert eine quantitative Messung des Einflusses der thermischen Struktur des Gases auf die Metallizitätsschätzungen.

„Die Auswirkungen von Temperaturschwankungen einzubeziehen, ist eine Neuerung bei dieser Art von Studien. Nun können wir feststellen, wie sich die Metallizitätsskala je nach gewähltem Szenario verändert“, sagt César Esteban, Professor an der Universidad de La Laguna, Forscher am IAC und Mitautor des Artikels.

Anwendung auf das frühe Universum und Veröffentlichung

Das Forschungsteam prüfte die vorgeschlagenen neuen Skalen auch anhand von Spektraldaten der fernsten bekannten Galaxien, die sich nur einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall gebildet haben und dank des Weltraumteleskops James Webb (JWST) sichtbar wurden. Die Analyse zeigt, dass viele der anhand naher Galaxien des Universums entwickelten Kalibrierungen auch im frühen Universum und bei großen kosmologischen Entfernungen zuverlässige Schätzungen ermöglichen. Unterschiede, die in einigen Fällen auftreten, lassen sich durch die höhere Intensität der ultravioletten Strahlungsfelder der Sterne und/oder einen anderen Stickstoffanteil in diesen frühen Galaxien erklären.

Insgesamt ermöglicht diese Arbeit die Verwendung einer gemeinsamen Skala zur Untersuchung der chemischen Entwicklung von Galaxien über einen großen Teil der kosmischen Geschichte hinweg – von unserer räumlichen und zeitlichen Umgebung bis zu Epochen, in denen das Universum erst einen Bruchteil seines heutigen Alters erreicht hatte.

An dieser Studie waren folgende Forschende des IAC beteiligt: César Esteban, Jorge García-Rojas, Maialen Orte-García, Elena Reyes-Rodríguez und Sebastián F. Sánchez.

Diese Arbeit ist der erste Artikel einer Reihe zur Entwicklung neuer Kalibrierungen für starke Linien im Rahmen der internationalen Zusammenarbeit DESIRED. Die neuen Kalibrierungen stehen der gesamten astronomischen Gemeinschaft frei zur Verfügung. Der Artikel wurde in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) veröffentlicht, einer der wichtigsten internationalen Publikationen für Astronomie und Astrophysik.

Artikel: 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:

Inhalt der Pressemitteilung des Instituto de Astrofísica de Canarias, übersetzt und für diese Ausgabe angepasst.

Instituto de Astrofísica de Canarias · 2026-11-10

DESIRED-I: wissenschaftliche Grafik, die das IAC für seine Mitteilung über Kalibrierungen der Galaxienmetallizität bereitgestellt hat. © IAC · Pressematerial