Высокоточные измерения бросают вызов нашему пониманию цефеид

«Классические Цефеиды» — это разновидность пульсирующих звезд, которые ритмично светлеют и тускнеют с течением времени. Эти пульсации помогают астрономам измерять огромные расстояния в космосе, делая Цефеиды важными «стандартными свечами», которые помогают нам понять размеры и масштабы нашей Вселенной.

Несмотря на их важность, изучение Цефеид сопряжено с определенными трудностями. Их пульсации и потенциальное взаимодействие со звездами-компаньонами создают сложные паттерны, которые трудно точно измерить. Различные приборы и методики, используемые на протяжении многих лет, дают противоречивые данные, усложняя наше понимание этих звезд.

«Отслеживание пульсаций Цефеид с помощью велосиметрии высокого разрешения позволяет нам понять структуру этих звезд и то, как они эволюционируют», — говорит Ричард И. Андерсон, астрофизик из EPFL. «В частности, измерения скорости, с которой звезды расширяются и сжимаются вдоль луча зрения — так называемые радиальные скорости — являются важным дополнением к точным измерениям 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

Теперь Андерсон возглавил группу ученых, чтобы сделать это в рамках проекта VELOcities of Cepheids (VELOCE) — крупной совместной работы, в ходе которой было собрано более 18 000 высокоточных измерений радиальных скоростей 258 цефеид за 12 лет с использованием самых современных спектрографов в период с 2010 по 2022 год. Их исследование опубликовано в журнале Astronomy and Astrophysics.

«Этот набор данных послужит связующим звеном между наблюдениями цефеид с разных телескопов в разные периоды времени и, надеюсь, вдохновит сообщество на дальнейшие исследования», — говорит Андерсон.

VELOCE — это совместная работа EPFL, Женевского и Левенского университетов. Он основан на наблюдениях с помощью 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 в качестве постдока в США и Германии, а теперь завершил его в EPFL. Докторант Андерсона Джордано Вивиани сыграл важную роль в создании возможности публикации данных VELOCE.

Разгадывание тайн Цефеид с невероятной точностью

«Отличная точность и долговременная стабильность измерений позволили получить новые сведения о пульсации Цефеид», — говорит Вивиани. «Пульсации вызывают изменения радиальной скорости 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 до 7 км/ч (2 м/с), что 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 известен поиском экзопланет, а HERMES — рабочая лошадка звездной астрофизики SS20.

Два спектрографа зафиксировали крошечные изменения в свете Цефеид, указывающие на их движение. Исследователи использовали передовые методы для обеспечения стабильности и точности измерений, корректируя любые инструментальные дрейфы и атмосферные изменения.

«Мы измеряем радиальную скорость, используя эффект Доплера», — объясняет Андерсон. «Это тот же эффект, который полиция использует для измерения вашей скорости, а также эффект, о котором вы узнаете по изменению тона, когда скорая помощь приближается или удаляется от вас».

Странный танец Цефеид

Проект VELOCE раскрыл ряд интересных деталей о звездах-цефеидах. Например, данные VELOCE дают наиболее подробное представление о прогрессии Герцшпрунга — характерном признаке пульсирующих звезд, — показывая двухконечные выступы, которые не были известны ранее, и дадут ключи к лучшему пониманию структуры Цефеид по сравнению с теоретическими моделями пульсирующих звезд.

Команда обнаружила, что некоторые Цефеиды демонстрируют сложную модулированную изменчивость своих движений. Это означает, что радиальные скорости звезд изменяются таким образом, что их невозможно объяснить простыми регулярными пульсациями. Другими словами, хотя мы ожидали, что Цефеиды будут пульсировать с предсказуемым ритмом, данные VELOCE показывают дополнительные, неожиданные вариации в этих движениях.

Эти колебания 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 позволить нам определить структуру цефеидных звезд с помощью астеросейсмологии», — говорит постдок Андерсона Хенрика Нетцель. О первых обнаружениях таких сигналов с помощью VELOCE сообщается в сопутствующей статье (Netzel et al., в печати).

Бинарные системы

Исследование также выявило 77 звезд Цефеид, входящих в двойные системы (две звезды, вращающиеся друг вокруг друга), и обнаружило еще 14 кандидатов. В сопутствующей статье, написанной бывшим постдоком Андерсона Шрией Шети, подробно описываются эти системы, что расширяет наше понимание того, как эти звезды эволюционируют и взаимодействуют друг с другом.

«Мы обнаружили, что примерно у каждой третьей Цефеиды есть невидимый компаньон, присутствие которого мы можем обнаружить с помощью эффекта Доплера», — говорит Шетье.

«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 для определения расстояний и скорости расширения Вселенной», — говорит Андерсон. «Кроме того, VELOCE обеспечивает наилучшую перекрестную проверку аналогичных, но менее точных измерений миссии Gaia ЕКА, которая в конечном итоге проведет крупнейший обзор измерений радиальных скоростей цефеид».