Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид

Классические Цефеиды — это тип пульсирующих звезд, которые ритмично становятся ярче и тусклее с течением времени. Эти пульсации помогают астрономам измерять огромные расстояния в космосе, что делает Цефеиды важнейшими стандартами, которые помогают нам понять размеры и масштабы Вселенной.

Несмотря на их важность, изучение Цефеид сопряжено с определенными трудностями. Их пульсации и потенциальное взаимодействие со звездами-компаньонами создают сложные картины, которые трудно точно измерить. Различные приборы и методы, использовавшиеся на протяжении многих лет, приводили к противоречивым данным, что усложняло понимание этих звезд.

Отслеживание пульсаций Цефеид с помощью велосиметрии высокой четкости дает нам возможность понять структуру этих звезд и то, как они развиваются, — говорит Ричард И. Андерсон, астрофизик из EPFL.

В частности, измерения скорости, с которой звезды расширяются и сжимаются вдоль линии визирования — так называемые радиальные скорости — являются важнейшим аналогом точных измерений яркости из космоса. Однако существует острая потребность в высококачественных лучевых скоростях, поскольку их сбор обходится дорого и лишь немногие приборы способны их собирать.

Проект VELOCE

Андерсон возглавил группу ученых, чтобы сделать именно это в рамках проекта VELOcities of CEpheids (VELOCE) — большого сотрудничества, которое за 12 лет собрало более 18 000 высокоточных измерений радиальных скоростей 258 Цефеид с помощью современных спектрографов в период с 2010 по 2022 год.

Этот набор данных послужит якорем для связи наблюдений Цефеид с разных телескопов во времени и, надеюсь, вдохновит сообщество на дальнейшие исследования.

VELOCE — плод сотрудничества между EPFL, Женевским университетом и KU Leuven. Он основан на наблюдениях швейцарского телескопа Эйлера в Чили и фламандского телескопа Меркатора на острове Ла-Пальма. Андерсон начал проект VELOCE во время защиты докторской диссертации в Женевском университете, продолжил его в качестве постдока в США и Германии, а теперь завершил в EPFL. Аспирант Андерсона, Джордано Вивиани, сыграл важную роль в выпуске данных VELOCE.

Разгадка тайн Цефеид с передовой точностью

Замечательная точность и долговременная стабильность измерений позволили получить новые интересные сведения о том, как пульсируют Цефеиды, — говорит Вивиани.

Пульсации приводят к изменениям скорости линии прямой видимости до 70 км/с, или около 250 000 км/ч. Мы измерили эти изменения с типичной точностью до 130 км/ч (37 м/с), а в некоторых случаях даже до 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 в электромагнитном излучении: HERMES в северном полушарии и CORALIE в южном полушарии. За пределами VELOCE CORALIE известен тем, что находит экзопланеты, а HERMES — рабочая лошадка звездной астрофизики.

Оба спектрографа обнаружили крошечные смещения в свете Цефеид, что свидетельствует об их движении. Исследователи использовали передовые методы для обеспечения стабильности и точности измерений, корректируя любые инструментальные смещения и атмосферные изменения.

Мы измеряем радиальные скорости, используя эффект Доплера, — объясняет Андерсон.

Это тот же эффект, который полиция использует для измерения вашей скорости, а также эффект, который вы узнаете по изменению тона, когда скорая помощь приближается или удаляется от вас.

Странный танец Цефеид

Проект VELOCE раскрыл несколько интересных деталей о звездах Цефеиды. Например, данные VELOCE позволяют наиболее детально рассмотреть прогрессию Герцшпрунга — паттерн пульсаций звезд, — демонстрируя ранее неизвестные двухпиковые бугорки, которые позволят лучше понять структуру Цефеид в сравнении с теоретическими моделями пульсирующих звезд.

Команда обнаружила, что некоторые Цефеиды демонстрируют сложную, модулированную изменчивость в своем движении. Это означает, что радиальные скорости звезд изменяются таким образом, что их нельзя объяснить простыми регулярными пульсациями. Другими словами, хотя мы ожидаем, 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) пульсационные сигналы, которые могут дать возможность определить структуру звезд Цефеид с помощью астеросейсмологии, — говорит постдок Андерсона Хенрика Нетцель.

О первых обнаружениях таких сигналов с помощью VELOCE сообщается в сопутствующей работе (Netzel et al. в печати).

Бинарные системы

Исследование также выявило 77 звезд Цефеид, входящих в состав бинарных систем (две звезды, вращающиеся друг вокруг друга), и обнаружило еще 14 кандидатов. В сопутствующей статье, написанной бывшим постдоком Андерсона Шрейей Шети, подробно описываются эти системы, что расширяет наше понимание того, как эти звезды эволюционируют и взаимодействуют друг с другом. «Мы видим, что примерно у каждой третьей Цефеиды есть невидимый компаньон, присутствие которого мы можем определить по эффекту Доплера», — говорит Шетие.

Понимание природы и физики Цефеид важно, потому что они рассказывают нам о том, как эволюционируют звезды в целом, и потому что мы полагаемся на них при определении расстояний и скорости расширения Вселенной, — говорит Андерсон.

Кроме того, VELOCE обеспечивает наилучшую перекрестную проверку аналогичных, но менее точных измерений миссии ЕКА Gaia, которая в конечном итоге проведет крупнейший обзор измерений радиальных скоростей Цефеид.

14.06.2024