RS Puppis, uma das estrelas variáveis Cefeidas mais luminosas, ritmicamente aumenta e diminui de brilho ao longo de um ciclo de seis semanas. Crédito: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration
Novos insights do projeto VELOCE sobre estrelas Cefeidas incluem padrões detalhados de pulsação e dinâmica de sistemas binários, derivados de extensas medições de velocidade radial.
“Cefeidas Clássicas” são um tipo de estrela pulsante que ritmicamente brilha e escurece ao longo do tempo. Essas pulsações ajudam os astrônomos a medir grandes distâncias no espaço, o que torna as Cefeidas “velas padrão” cruciais que nos ajudam a entender o tamanho e a escala do nosso universo.
Apesar de sua importância, estudar Cefeidas é desafiador. Suas pulsações e potenciais interações com estrelas companheiras criam padrões complexos que são difíceis de medir com precisão. Diferentes instrumentos e métodos usados ao longo dos anos levaram a dados inconsistentes, complicando nossa compreensão dessas estrelas.
“Rastrear pulsações de Cefeidas com velocimetria de alta definição nos dá insights sobre a estrutura dessas estrelas e como elas evoluem”, diz Richard I. Anderson, astrofísico da EPFL. “Em particular, medições da velocidade na qual as estrelas se expandem e contraem ao longo da linha de visão – as chamadas velocidades radiais – fornecem uma contrapartida crucial para medições precisas de brilho do espaço. No entanto, tem havido uma necessidade urgente de velocidades radiais de alta qualidade porque elas são caras para coletar e porque poucos instrumentos são capazes de coletá-las.”
O Projeto VELOCE
Anderson agora liderou uma equipe de cientistas para fazer exatamente isso com o projeto VELOcities of CEpheids (VELOCE), uma grande colaboração que, ao longo de 12 anos, coletou mais de 18.000 medições de alta precisão de 258 velocidades radiais de Cefeidas usando espectrógrafos avançados entre 2010 e 2022. “Este conjunto de dados servirá como uma âncora para vincular observações de Cefeidas de diferentes telescópios ao longo do tempo e, esperançosamente, inspirar estudos posteriores pela comunidade.”
VELOCE é o fruto de uma colaboração entre a EPFL, a Universidade de Genebra e a KU Leuven. Baseia-se em observações do Telescópio Euler Suíço no Chile e o flamengo Telescópio Mercator em La Palma. Anderson começou o projeto VELOCE durante seu PhD na Universidade de Genebra, continuou como pós-doutorado nos EUA e na Alemanha, e agora o concluiu na EPFL. O aluno de PhD de Anderson, Giordano Viviani, foi fundamental para tornar possível a divulgação dos dados do VELOCE.
“Compreender a natureza e a física das Cefeidas é importante porque elas nos dizem como as estrelas evoluem em geral e porque confiamos nelas para determinar distâncias e a taxa de expansão do Universo.”
— Richard I. Anderson (EPFL)
Desvendando os mistérios das Cefeidas com precisão de ponta
“A precisão maravilhosa e a estabilidade de longo prazo das medições permitiram novos insights interessantes sobre como as Cefeidas pulsam”, diz Viviani. “As pulsações levam a mudanças na velocidade da linha de visão de até 70 km/s, ou cerca de 250.000 km/h. Medimos essas variações com uma precisão típica de 130 km/h (37 m/s) e, em alguns casos, tão boa quanto 7 km/h (2 m/s), que é aproximadamente a velocidade de um humano caminhando rápido.”
Para obter medições tão precisas, os pesquisadores do VELOCE usaram dois espectrógrafos de alta resolução, que separam e medem comprimentos de onda na radiação eletromagnética: HERMES no hemisfério norte e CORALIA no hemisfério sul. Fora do VELOCE, CORALIE é famoso por encontrar exoplanetas e HERMES é um burro de carga da astrofísica estelar.
Os dois espectrógrafos detectaram pequenas mudanças na luz das Cefeidas, indicando seus movimentos. Os pesquisadores usaram técnicas avançadas para garantir que suas medições fossem estáveis e precisas, corrigindo quaisquer desvios instrumentais e mudanças atmosféricas. “Medimos velocidades radiais usando o efeito Doppler”, explica Anderson. “Esse é o mesmo efeito que a polícia usa para medir sua velocidade, e também o efeito que você conhece pela mudança de tom quando uma ambulância se aproxima ou se afasta de você.”
As observações do VELOCE traçam a expansão e a contração das estrelas Cefeidas com precisão sem precedentes. À esquerda: espectros observados do arquétipo Cefeida Delta Cephei conforme mudam de comprimento de onda devido às pulsações. À direita: a curva de velocidade radial medida pelo VELOCE, com o tamanho variável da estrela mostrado (não em escala) usando símbolos em forma de estrela. Crédito: RI Anderson (EPFL)
A Estranha Dança das Cefeidas
O projeto VELOCE revelou vários detalhes fascinantes sobre estrelas Cefeidas. Por exemplo, os dados VELOCE fornecem a visão mais detalhada até agora da progressão de Hertzsprung – um padrão nas pulsações das estrelas – mostrando saliências de pico duplo que não eram conhecidas anteriormente e fornecerão pistas para entender melhor a estrutura das Cefeidas quando comparadas a modelos teóricos de estrelas pulsantes.
A equipe descobriu que várias Cefeidas exibem variabilidade complexa e modulada em seus movimentos. Isso significa que as velocidades radiais das estrelas mudam de maneiras que não podem ser explicadas por padrões de pulsação simples e regulares. Em outras palavras, embora esperássemos que as Cefeidas pulsassem com um ritmo previsível, os dados do VELOCE revelam variações adicionais e inesperadas nesses movimentos.
Essas variações não são consistentes com modelos teóricos de pulsação tradicionalmente usados para descrever Cefeidas. “Isso sugere que há processos mais intrincados ocorrendo dentro dessas estrelas, como interações entre diferentes camadas da estrela, ou sinais de pulsação adicionais (não radiais) que podem apresentar uma oportunidade para determinar a estrutura de estrelas Cefeidas por asterosismologia”, diz a pós-doutoranda de Anderson, Henryka Netzel. As primeiras detecções de tais sinais com base no VELOCE são relatadas em um artigo complementar (Netzel et al. no prelo).
Sistemas Binários
O estudo também identificou 77 estrelas Cefeidas que fazem parte de sistemas binários (duas estrelas orbitando uma à outra) e encontrou mais 14 candidatas. Um artigo complementar liderado pela ex-pós-doutoranda de Anderson, Shreeya Shetye, descreve esses sistemas em detalhes, aumentando nossa compreensão de como essas estrelas evoluem e interagem umas com as outras. “Vemos que cerca de uma em cada três Cefeidas tem uma companheira invisível cuja presença podemos determinar pelo efeito Doppler”, diz Shetye.
“Entender a natureza e a física das Cefeidas é importante porque elas nos contam sobre como as estrelas evoluem em geral, e porque confiamos nelas para determinar distâncias e a taxa de expansão do Universo”, diz Anderson. “Além disso, o VELOCE fornece as melhores verificações cruzadas disponíveis para medições semelhantes, mas menos precisas, da missão Gaia da ESA, que eventualmente conduzirá a maior pesquisa de medições de velocidade radial das Cefeidas.”
Referência: “VELOcities of CEfeidas (VELOCE) – I. Velocidades radiais de alta precisão das Cefeidas” por Richard I. Anderson, Giordano Viviani, Shreeya S. Shetye, Nami Mowlavi, Laurent Eyer, Lovro Palaversa, Berry Holl, Sergi Blanco-Cuaresma , Kateryna Kravchenko, Michał Pawlak, Mauricio Cruz Reyes, Saniya Khan, Henryka E. Netzel, Lisa Löbling, Péter I. Pápics, Andreas Postel, Maroussia Roelens, Zoi T. Spetsieri, Anne Thoul, Jiří Žák, Vivien Bonvin, David V. Martin, Martin Millon, Sophie Saesen, Aurélien Wyttenbach, Pedro Figueira, Maxime Marmier, Saskia Prins, Gert Raskin e Hans van Winckel, 14 de junho de 2024, Astronomia e Astrofísica.
DOI: 10.1051/0004-6361/202348400
Outros colaboradores
- Instituto Ruder Bošković
- Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica
- Hospital Universitário de Lausanne (CHUV)
- Universidade de Lausanne (UNIL)
- Instituto Max Planck de Física Extraterrestre
- Universidade de Lund
- Universidade Eberhard Karls
- universidade de Liège
- Observatório Europeu do Sul
- Universidade Tufts
- Universidade de Stanford
- Universidade do Porto
