Hochpräzise Messungen stellen unser Verständnis der Cepheiden in Frage

„Klassische Cepheiden“ sind eine Art pulsierender Sterne, die im Laufe der Zeit rhythmisch heller und dunkler werden. Diese Pulsationen helfen Astronomen, riesige Entfernungen im Weltall zu messen, was Cepheiden zu wichtigen „Standardkerzen“ macht, die uns helfen, die Größe und das Ausmaß unseres Universums zu verstehen.

Trotz ihrer Bedeutung ist die Erforschung der Cepheiden eine Herausforderung. Ihre Pulsationen und möglichen Wechselwirkungen mit Begleitsternen erzeugen komplexe Muster, die sich nur schwer genau messen lassen. Im Laufe der Jahre wurden unterschiedliche Instrumente und Methoden eingesetzt, die zu inkonsistenten Daten geführt haben und unser Verständnis dieser Sterne erschweren.

„Die Verfolgung der Cepheidenpulsationen mit hochauflösender Velocimetrie gibt uns Einblicke in die Struktur dieser Sterne und ihre Entwicklung“, sagt Richard I. Anderson, Astrophysiker an der EPFL. „Insbesondere Messungen der Geschwindigkeit, mit der sich die Sterne entlang der Sichtlinie ausdehnen und zusammenziehen – die sogenannten Radialgeschwindigkeiten – sind ein wichtiges Gegenstück zu präzisen Helligkeitsmessungen aus dem Weltraum. Es besteht jedoch ein dringender Bedarf an qualitativ hochwertigen Radialgeschwindigkeiten, da ihre Erfassung teuer ist und nur wenige Instrumente in der Lage sind, sie zu erfassen.“

Das VELOCE-Projekt

Anderson hat nun ein Team von Wissenschaftlern geleitet, das genau dies mit dem Projekt VELOcities of CEpheids (VELOCE) erreicht hat, einer großen Zusammenarbeit, die über 12 Jahre hinweg zwischen 2010 und 2022 mehr als 18.000 hochpräzise Messungen von 258 Radialgeschwindigkeiten von Cepheiden mithilfe fortschrittlicher Spektrographen durchgeführt hat. Ihre Forschung ist veröffentlicht im Journal Astronomie & Astrophysik.

„Dieser Datensatz wird als Anker dienen, um Cepheiden-Beobachtungen von verschiedenen Teleskopen über einen bestimmten Zeitraum hinweg miteinander zu verknüpfen und hoffentlich die Gemeinschaft zu weiteren Studien anregen“, sagt Anderson.

VELOCE ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der EPFL, der Universität Genf und der KU Leuven. Es basiert auf Beobachtungen des Schweizer Euler-Teleskops in Chile und des flämischen Mercator-Teleskops auf La Palma. Anderson begann das VELOCE-Projekt während seiner Doktorarbeit an der Universität Genf, setzte es als Postdoc in den USA und Deutschland fort und hat es nun an der EPFL abgeschlossen. Andersons Doktorand Giordano Viviani war maßgeblich daran beteiligt, die Veröffentlichung der VELOCE-Daten zu ermöglichen.

Die Geheimnisse der Cepheiden mit höchster Präzision entschlüsseln

„Die erstaunliche Präzision und Langzeitstabilität der Messungen haben interessante neue Einblicke in die Pulsation von Cepheiden ermöglicht“, sagt Viviani. „Die Pulsationen führen zu Änderungen der Sichtliniengeschwindigkeit von bis zu 70 km/s oder etwa 250.000 km/h. Wir haben diese Variationen mit einer typischen Genauigkeit von 130 km/h (37 m/s) gemessen, in einigen Fällen sogar mit 7 km/h (2 m/s), was etwa der Geschwindigkeit eines schnell gehenden Menschen entspricht.“

Um solch präzise Messungen zu erhalten, verwendeten die VELOCE-Forscher zwei hochauflösende Spektrografen, die Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung trennen und messen: HERMES auf der Nordhalbkugel und CORALIE auf der Südhalbkugel. Außerhalb von VELOCE ist CORALIE für die Suche nach Exoplaneten bekannt und HERMES ist ein Arbeitspferd der Sternastrophysik.

Die beiden Spektrographen registrierten winzige Verschiebungen im Licht der Cepheiden, die auf ihre Bewegungen hinwiesen. Die Forscher verwendeten fortschrittliche Techniken, um sicherzustellen, dass ihre Messungen stabil und genau waren, und korrigierten dabei etwaige instrumentelle Abweichungen und atmosphärische Veränderungen.

„Wir messen Radialgeschwindigkeiten mithilfe des Doppler-Effekts“, erklärt Anderson. „Das ist derselbe Effekt, den die Polizei verwendet, um Ihre Geschwindigkeit zu messen, und auch der Effekt, den Sie von der Tonänderung kennen, wenn sich ein Krankenwagen Ihnen nähert oder von Ihnen entfernt.“

Der seltsame Tanz der Cepheiden

Das VELOCE-Projekt hat mehrere faszinierende Details über Cepheidensterne aufgedeckt. So liefern die VELOCE-Daten beispielsweise den bisher detailliertesten Einblick in die Hertzsprung-Progression – ein Muster in den Pulsationen der Sterne – und zeigen bisher unbekannte doppelgipflige Beulen, die im Vergleich zu theoretischen Modellen pulsierender Sterne Hinweise zum besseren Verständnis der Struktur von Cepheiden liefern werden.

Das Team stellte fest, dass mehrere Cepheiden eine komplexe, modulierte Variabilität in ihren Bewegungen aufweisen. Das bedeutet, dass sich die Radialgeschwindigkeiten der Sterne auf eine Weise ändern, die nicht durch einfache, regelmäßige Pulsationsmuster erklärt werden kann. Mit anderen Worten: Während wir erwarten würden, dass Cepheiden in einem vorhersehbaren Rhythmus pulsieren, enthüllen die VELOCE-Daten zusätzliche, unerwartete Variationen in diesen Bewegungen.

Diese Variationen stimmen nicht mit den theoretischen Pulsationsmodellen überein, die traditionell zur Beschreibung von Cepheiden verwendet werden. „Dies deutet darauf hin, dass in diesen Sternen kompliziertere Prozesse ablaufen, wie etwa Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Schichten des Sterns oder zusätzliche (nicht radiale) Pulsationssignale, die eine Möglichkeit bieten könnten, die Struktur von Cepheidensternen durch Asteroseismologie zu bestimmen“, sagt Andersons Postdoc Henryka Netzel. Erste Nachweise solcher Signale auf Basis von VELOCE werden in einem Begleitpapier berichtet (Netzel et al., im Druck).

Binäre Systeme

Die Studie identifizierte außerdem 77 Cepheiden, die Teil von Doppelsternsystemen sind (zwei Sterne, die einander umkreisen) und fand 14 weitere Kandidaten. Ein Begleitpapier unter der Leitung von Andersons ehemaliger Postdoktorandin Shreeya Shetye beschreibt diese Systeme im Detail und trägt zu unserem Verständnis bei, wie sich diese Sterne entwickeln und miteinander interagieren.

„Wir sehen, dass etwa jeder dritte Cepheiden einen unsichtbaren Begleiter hat, dessen Anwesenheit wir durch den Dopplereffekt feststellen können“, sagt Shetye.

„Das Verständnis der Natur und Physik der Cepheiden ist wichtig, weil sie uns Aufschluss über die allgemeine Entwicklung von Sternen geben und weil wir uns bei der Bestimmung von Entfernungen und der Expansionsrate des Universums auf sie verlassen“, sagt Anderson. „Darüber hinaus bietet VELOCE die besten verfügbaren Gegenproben für ähnliche, aber weniger präzise Messungen der ESA-Mission Gaia, die schließlich die größte Untersuchung der Radialgeschwindigkeitsmessungen von Cepheiden durchführen wird.“