Bardzo precyzyjne pomiary stanowią wyzwanie dla naszej wiedzy o cefeidach

Naukowcy zmierzyli prędkość cefeid z niespotykaną precyzją, dostarczając nowych informacji na ich temat.

Cefeidy to pulsujące gwiazdy, które rytmicznie zmieniają jasność. Dzięki temu astronomowie mogą wykorzystywać je jako „świece standardowe” do pomiaru ogromnych odległości w kosmosie. Cefeidy pomagają nam określić rozmiar i skalę naszego Wszechświata.

Pomimo ich znaczenia, badanie cefeid stanowi wyzwanie. Ich pulsacje i potencjalne interakcje z gwiazdami towarzyszącymi tworzą złożone wzorce, które trudno dokładnie zmierzyć. Różne instrumenty i metody stosowane na przestrzeni lat doprowadziły do powstania niespójnych danych, komplikując nasze zrozumienie tych gwiazd.

Śledzenie pulsacji cefeid za pomocą prędkościomierza o wysokiej rozdzielczości daje nam wgląd w strukturę tych gwiazd i sposób ich ewolucji – powiedział Richard I. Anderson, astrofizyk EPFL. W szczególności pomiary prędkości, z jaką gwiazdy rozszerzają się i kurczą wzdłuż linii widzenia – tak zwane prędkości radialne – stanowią kluczowy odpowiednik precyzyjnych pomiarów jasności z kosmosu. Istnieje jednak pilne zapotrzebowanie na wysokiej jakości pomiary prędkości radialnych, ponieważ ich zbieranie jest kosztowne gdyż niewiele instrumentów jest w stanie je zbadać.

Projekt VELOCE
Anderson prowadzi zespół naukowców, aby zrobić dokładnie to w ramach projektu VELOcities of CEpheids (VELOCE), dużej współpracy, która w ciągu 12 lat zebrała ponad 18 000 bardzo precyzyjnych pomiarów prędkości radialnych 258 cefeid przy użyciu zaawansowanych spektrografów w latach 2010-2022. Ten zbiór danych posłuży jako kotwica łącząca obserwacje cefeid z różnych teleskopów w czasie i miejmy nadzieję zainspiruje społeczność do dalszych badań.

VELOCE jest owocem współpracy pomiędzy EPFL, Uniwersytetem Genewskim i KU Leuven. Opiera się na obserwacjach ze szwajcarskiego teleskopu Eulera w Chile i flamandzkiego teleskopu Mercatora na La Palmie. Anderson rozpoczął projekt VELOCE podczas swojego doktoratu na Uniwersytecie Genewskim, kontynuował go jako doktor nauk w USA i Niemczech, a teraz zakończył go w EPFL. Doktorant Andersona, Giordano Viviani, odegrał kluczową rolę w umożliwieniu publikacji danych VELOCE.

Odkrywanie tajemnic cefeid z najnowocześniejszą precyzją
Wspaniała precyzja i długoterminowa stabilność pomiarów umożliwiły interesujące nowe spojrzenie na to, jak pulsują cefeidy – powiedział Viviani. Pulsacje prowadzą do zmian prędkości w linii widzenia do 70 km/s. Zmierzyliśmy te zmiany z typową precyzją 130 km/h, a w niektórych przypadkach nawet 7 km/h, co odpowiada mniej więcej prędkości szybko idącego człowieka.

Aby uzyskać tak precyzyjne pomiary, naukowcy z VELOCE wykorzystali dwa spektrografy o wysokiej rozdzielczości, które oddzielają i mierzą długości fal w promieniowaniu elektromagnetycznym: HERMES na półkuli północnej i CORALIE na półkuli południowej. Poza VELOCE, CORALIE słynie z poszukiwania egzoplanet, a HERMES służy astrofizyce gwiazd.

Dwa spektrografy wykryły niewielkie zmiany w świetle cefeid, wskazujące na ich ruchy. Naukowcy wykorzystali zaawansowane techniki, aby zapewnić stabilność i dokładność pomiarów, korygując wszelkie dryfty instrumentalne i zmiany atmosferyczne. Mierzymy prędkości radialne wykorzystując efekt Dopplera – wyjaśnił Anderson. To ten sam efekt, którego policja używa do pomiaru prędkości, a także efekt, który znamy ze zmiany tonu, gdy karetka zbliża się lub oddala od nas.

Dziwny taniec cefeid
Projekt VELOCE odkrył kilka fascynujących szczegółów dotyczących cefeid. Na przykład, dane VELOCE zapewniają najbardziej szczegółowe jak dotąd spojrzenie na progresję Hertzsprunga – wzór w pulsacjach gwiazd – pokazując podwójne szczyty, które nie były wcześniej znane i dostarczą wskazówek do lepszego zrozumienia struktur cefeid w porównaniu z teoretycznymi modelami gwiazd pulsujących.

Zespół odkrył, że kilka cefeid wykazuje złożoną, modulowaną zmienność w swoich ruchach. Oznacza to, że prędkości radialne gwiazd zmieniają się w sposób, którego nie można wyjaśnić prostymi, regularnymi wzorcami pulsacji. Innymi słowy, podczas gdy oczekiwalibyśmy, że cefeidy będą pulsować w przewidywalnym rytmie, dane VELOCE ujawniają dodatkowe, nieoczekiwane zmiany w tych ruchach.

Zmiany te nie są zgodne z teoretycznymi modelami pulsacji tradycyjnie stosowanymi do opisu cefeid. Sugeruje to, że w tych gwiazdach zachodzą bardziej skomplikowane procesy, takie jak interakcje między różnymi warstwami gwiazd lub dodatkowe (nieradialne) sygnały pulsacji, które mogą stanowić okazję do określenia struktury cefeid za pomocą asterosejsmologii – powiedziała Henryka Netzel. Pierwsze detekcje takich sygnałów w oparciu o VELOCE zostały opisane w artykule towarzyszącym.

Układy podwójne
W badaniach zdefiniowano również 77 cefeid będących częścią układów podwójnych i znaleziono 14 kolejnych kandydatów. Towarzyszący artykuł prowadzony przez byłą doktorantkę Andersona, Shreeyę Shetye, szczegółowo opisuje te układy, poszerzając naszą wiedzę na temat ewolucji tych gwiazd i ich wzajemnych interakcji. Widzimy, że około jedna na trzy cefeidy ma niewidocznego towarzysza, którego obecność może określić za pomocą efektu Dopplera – powiedziała Shetye.

Zrozumienie natury i fizyki cefeid jest ważne, ponieważ mówią nam one o tym, jak ogólnie ewoluują gwiazdy, a także dlatego, że polegamy na nich przy określaniu odległości i tempa ekspansji Wszechświata – powiedział Anderson. Dodatkowo, VELOCE zapewnia najlepszą dostępna kontrolę krzyżową dla podobnych, ale mniej precyzyjnych pomiarów z misji Gaia, która ostatecznie przeprowadzi największy przegląd pomiarów prędkości radialnych cefeid.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
EPFL

Vega