Высокоточные измерения бросают вызов нашему пониманию цефеид

RS Кормы, одна из самых ярких переменных звезд цефеид, ритмично то ярче, то тускнеет в течение шестинедельного цикла. Автор: NASA, ESA, Hubble Heritage Team

«Классические цефеиды» — это тип пульсирующих звезд, которые со временем ритмично ярче и тускнеют. Эти пульсации помогают астрономам измерять огромные расстояния в космосе, что делает цефеиды важными «стандартными свечами», помогающими нам понять размер и масштаб нашей Вселенной.

Несмотря на их важность, изучение цефеид является сложной задачей. Их пульсации и потенциальное взаимодействие со звездами-компаньонами создают сложные закономерности, которые трудно точно измерить. Различные инструменты и методы, используемые на протяжении многих лет, привели к получению противоречивых данных, что усложнило наше понимание этих звезд.

«Отслеживание пульсаций цефеид с помощью велосиметрии высокого разрешения дает нам представление о структуре этих звезд и о том, как они развиваются», — говорит Ричард И. Андерсон, астрофизик из EPFL. «В частности, измерения скорости, с которой звезды расширяются и сжимаются вдоль луча зрения — так называемые лучевые скорости — являются важным аналогом точных измерений яркости из космоса. Однако существует острая необходимость в высококачественных лучевых скоростей, потому что их сбор дорог и потому что лишь немногие инструменты способны их собрать».

Проект VELOCE

Теперь Андерсон возглавил команду ученых, которая сделала именно это в рамках проекта VELOcities of CEpheids (VELOCE), крупного сотрудничества, которое за 12 лет собрало более 18 000 высокоточных измерений лучевых скоростей 258 цефеид с использованием современных спектрографов в период с 2010 по 2022 год. Их исследование опубликованов журнале Astronomy & Astrophysicals.

«Этот набор данных послужит якорем для связи наблюдений цефеид с разных телескопов в разные периоды времени и, надеюсь, вдохновит сообщество на дальнейшие исследования», — говорит Андерсон.

VELOCE является результатом сотрудничества EPFL, Женевского университета и Левенского университета. Он основан на наблюдениях швейцарского телескопа Эйлера в Чили и фламандского телескопа Меркатора на острове Ла-Пальма. Андерсон начал проект VELOCE во время работы над докторской диссертацией. в Женевском университете, продолжил обучение в качестве постдока в США и Германии, а сейчас завершил его в EPFL. Доктор философии Андерсона. Студент Джордано Вивиани сыграл важную роль в создании возможности публикации данных VELOCE.

Разгадывание загадок цефеид с невероятной точностью

«Прекрасная точность и долговременная стабильность измерений позволили по-новому взглянуть на то, как пульсируют цефеиды», — говорит Вивиани. «Пульсации приводят к изменению лучевой скорости до 70 км/с, или около 250 000 км/ч. Мы измерили эти изменения с типичной точностью 130 км/ч (37 м/с), а в некоторых случаях достигает 7 км/ч (2 м/с), что примерно соответствует скорости быстро идущего человека».

Чтобы получить такие точные измерения, исследователи VELOCE использовали два спектрографа высокого разрешения, которые разделяют и измеряют длины волн электромагнитного излучения: HERMES в северном полушарии и CORALIE в южном полушарии. Помимо VELOCE, CORALIE известна тем, что находит экзопланеты, а HERMES — рабочая лошадка звездной астрофизики.

Два спектрографа обнаружили крошечные изменения в свете цефеид, указывающие на их движение. Исследователи использовали передовые методы, чтобы гарантировать стабильность и точность своих измерений, корректируя любые инструментальные дрейфы и атмосферные изменения.

«Мы измеряем лучевые скорости, используя эффект Доплера», — объясняет Андерсон. «Это тот же эффект, который полиция использует для измерения вашей скорости, а также эффект, который вы знаете по изменению тона, когда машина скорой помощи приближается или удаляется от вас».

Наблюдения VELOCE отслеживают расширение и сжатие звезд-цефеид с беспрецедентной точностью. Слева: наблюдаемые спектры архетипа цефеид Дельта Цефеи при изменении длины волны из-за пульсаций. Справа: кривая лучевой скорости, измеренная с помощью VELOCE, с указанием переменного размера звезды (не в масштабе) с использованием символов в форме звезды. Автор: RI Anderson (EPFL)

Странный танец цефеид

Проект VELOCE раскрыл несколько интересных подробностей о звездах-цефеидах. Например, данные VELOCE дают наиболее подробный взгляд на прогрессию Герцшпрунга — закономерность пульсаций звезд — показывающую двухпиковые выступы, которые ранее не были известны, и дадут ключ к лучшему пониманию структуры цефеид по сравнению с теоретическими моделями. пульсирующих звезд.

Команда обнаружила, что некоторые цефеиды демонстрируют сложную модулированную изменчивость в своих движениях. Это означает, что лучевые скорости звезд изменяются способами, которые нельзя объяснить простыми регулярными закономерностями пульсаций. Другими словами, хотя мы и ожидали, что цефеиды будут пульсировать с предсказуемым ритмом, данные VELOCE показывают дополнительные, неожиданные вариации в этих движениях.

Эти вариации не согласуются с теоретическими моделями пульсаций, традиционно используемыми для описания цефеид. «Это говорит о том, что внутри этих звезд происходят более сложные процессы, такие как взаимодействие между различными слоями звезды или дополнительные (нерадиальные) сигналы пульсаций, которые могут дать возможность определить структуру звезд цефеид с помощью астеросейсмологии», — говорит Постдок Андерсона Генрика Нетцель. О первых обнаружениях таких сигналов на основе VELOCE сообщается в сопутствующей статье (Netzel et al., в печати).

Двоичные системы

Исследование также выявило 77 звезд-цефеид, входящих в двойные системы (две звезды, вращающиеся вокруг друг друга), и обнаружило еще 14 кандидатов. Сопутствующая статья, написанная бывшим постдоком Андерсона Шрией Шетье, подробно описывает эти системы, дополняя наше понимание того, как эти звезды развиваются и взаимодействуют друг с другом.

«Мы видим, что примерно у каждой третьей цефеиды есть невидимый спутник, присутствие которого мы можем определить с помощью эффекта Доплера», — говорит Шетье.

«Понимание природы и физики цефеид важно, потому что они рассказывают нам о том, как в целом развиваются звезды, и потому что мы полагаемся на них для определения расстояний и скорости расширения Вселенной», — говорит Андерсон. «Кроме того, VELOCE обеспечивает наилучшие доступные перекрестные проверки для аналогичных, но менее точных измерений миссии ESA Gaia, которая в конечном итоге проведет крупнейшее исследование измерений лучевой скорости цефеид».

Больше информации: Richard I. Anderson et al, VELOcities of CEpheids (VELOCE). I. High-precision radial velocities of Cepheids, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202348400. www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202348400

Источник: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne