L’IAC participe à l’élaboration de nouvelles échelles pour mesurer la composition chimique des galaxies

Une équipe internationale, à laquelle participe le personnel de recherche de l’Institut d’astrophysique des Canaries (IAC), a élaboré une nouvelle génération d’étalonnages permettant d’estimer la composition chimique (métallicité) aussi bien des galaxies proches que des galaxies les plus lointaines et les plus anciennes de l’Univers observées par le télescope spatial James Webb. L’étude repose sur l’analyse du plus vaste ensemble d’observations spectroscopiques de haute qualité constitué à ce jour, fruit de plus d’une décennie de travail de collecte et d’analyse.

La métallicité, registre fossile de l’évolution galactique

Pour comprendre l’origine et l’évolution des galaxies, on étudie leur composition chimique à travers le spectre des nuages de gaz ionisé qu’elles abritent, appelés régions HII. L’émission de ces nébuleuses est due à l’excitation produite par la lumière ultraviolette des étoiles massives qui viennent de se former en leur sein. Les régions HII, comme tout autre objet cosmique, contiennent différents éléments chimiques synthétisés par des générations antérieures d’étoiles et libérés dans l’espace à la fin de leur vie. La métallicité d’une galaxie constitue donc une sorte de registre fossile de son évolution au fil du temps : plus sa métallicité est élevée, plus le gaz a été transformé par les générations antérieures d’étoiles, ce qui permet de reconstituer l’histoire de la formation et de l’évolution des galaxies au cours de l’histoire cosmique.

Mais déterminer la composition chimique d’une région HII à partir de son spectre n’est pas simple. Il faut connaître avec précision la densité et la température du gaz, ainsi que les caractéristiques du rayonnement qu’il reçoit des étoiles. Pour mesurer ces propriétés, des observations de haute qualité sont nécessaires, avec de longs temps d’exposition sur certains des plus grands télescopes du monde, capables de détecter même l’émission des nébuleuses dans des galaxies faibles et lointaines.

27 étalonnages fondés sur la base de données DESIRED

L’équipe de recherche, dirigée par Fabián F. Rosales-Ortega (INAOE, Mexique), a utilisé la base de données DESIRED (DEep Spectra of Ionized REgions Database), un ensemble constitué au cours de plus de dix ans, qui rassemble des observations spectroscopiques optiques de haute qualité de nébuleuses ionisées, aussi bien dans notre Voie lactée que dans d’autres galaxies de l’Univers.

Au total, l’étude a utilisé près de 2.392 observations, une quantité d’informations sans précédent pour ce type d’analyse. « Nous pouvons réexaminer les méthodes utilisées pour mesurer la composition chimique des galaxies sur une base bien plus solide qu’auparavant », affirme Rosales-Ortega, premier auteur de l’article.

À partir de cet ensemble de données et en recalculant de manière homogène tous les paramètres nécessaires, l’équipe de recherche a obtenu de nouvelles formulations pour les 23 échelles ou étalonnages historiquement utilisés pour estimer la métallicité des galaxies lorsqu’il n’est pas possible de déterminer la température du gaz à partir de son spectre. La métallicité s’exprime par l’abondance de l’oxygène, c’est-à-dire le rapport entre le nombre de particules de cet élément et celui de l’hydrogène.

Ces étalonnages sont établis à partir de l’intensité des raies spectrales les plus brillantes des régions HII, raison pour laquelle on les appelle « méthodes des raies intenses » ; ils utilisent diverses combinaisons de raies de l’oxygène, de l’azote, du soufre, de l’argon et du néon. En outre, l’étude intègre quatre nouvelles méthodes qui n’avaient pas encore fait l’objet d’un étalonnage empirique. Au total, elle fournit des formulations pour 27 étalonnages fondés sur des observations de haute qualité, qui élargissent la gamme des conditions physiques dans lesquelles ils peuvent être appliqués et constituent l’une des références empiriques les plus complètes et les plus robustes actuellement disponibles pour estimer la métallicité des galaxies.

« Ces étalonnages sont indispensables pour les galaxies lointaines, où les raies faibles ne sont pas détectées, et l’utilisation d’un échantillon aussi vaste et de si bonne qualité accroît la fiabilité des métallicités obtenues », explique Jorge García-Rojas, chercheur à l’IAC et coauteur de l’article.

L’impact des fluctuations de température

Il existe également un problème fondamental qui affecte depuis des décennies la détermination de la composition chimique des nébuleuses : les fluctuations de température en leur sein peuvent introduire des biais dans le calcul des abondances chimiques.

Dans ce nouveau travail, les étalonnages des méthodes des raies intenses sont formulés pour la première fois selon deux scénarios physiques différents : l’un traditionnel, qui suppose une température homogène dans les objets, et l’autre qui tient compte des fluctuations de température. Lorsqu’on les prend en compte, les métallicités sont en moyenne environ 35 % plus élevées que celles obtenues avec les méthodes traditionnelles. Ce résultat fournit une mesure quantitative de l’effet de la structure thermique du gaz sur les estimations de métallicité.

« Prendre en compte l’effet des fluctuations de température est une nouveauté dans ce type d’études ; nous pouvons désormais savoir comment l’échelle des métallicités varie selon le scénario retenu », souligne César Esteban, professeur titulaire à l’Université de La Laguna, chercheur à l’IAC et coauteur de l’article.

Application à l’Univers primordial et publication

L’équipe de recherche a également mis à l’épreuve les nouvelles échelles proposées à l’aide de données spectrales des galaxies les plus lointaines connues, formées à peine quelques centaines de millions d’années après le Big Bang et révélées grâce au télescope spatial James Webb (JWST). L’analyse montre que nombre des étalonnages établis à partir de galaxies de l’Univers proche peuvent aussi fournir des estimations fiables dans l’Univers primordial, à de grandes distances cosmologiques. Dans certains cas, les différences observées peuvent s’expliquer par l’intensité plus élevée des champs de rayonnement ultraviolet des étoiles et/ou par une proportion différente d’azote dans ces galaxies primitives.

En définitive, ce travail permet d’utiliser une échelle commune pour étudier l’évolution chimique des galaxies pendant une grande partie de l’histoire cosmique, depuis notre environnement spatial et temporel jusqu’à des époques où l’Univers n’avait qu’une fraction de son âge actuel.

Les chercheurs de l’IAC suivants ont contribué à cette étude : César Esteban, Jorge García-Rojas, Maialen Orte-García, Elena Reyes-Rodríguez et Sebastián F. Sánchez.

Ce travail est le premier article d’une série consacrée à l’élaboration de nouveaux étalonnages des raies intenses dans le cadre de la collaboration internationale DESIRED. Les nouveaux étalonnages sont librement accessibles à l’ensemble de la communauté astronomique. L’article a été publié dans la revue scientifique Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), l’une des principales publications internationales en astronomie et en astrophysique.

Article : 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 :

Contenu du communiqué de presse de l’Institut d’astrophysique des Canaries, traduit et adapté pour cette édition.

Institut d’astrophysique des Canaries · 2026-11-10

DESIRED-I : graphique scientifique fourni par l’IAC pour son communiqué sur les étalonnages de la métallicité des galaxies. © IAC · Matériel de presse