Des mesures de haute précision remettent en question notre compréhension des Céphéides

Les « Céphéides classiques » sont un type d’étoile pulsante qui s’éclaire et s’assombrit de manière rythmique avec le temps. Ces pulsations aident les astronomes à mesurer de vastes distances à travers l’espace, ce qui fait des Céphéides des « bougies standard » cruciales qui nous aident à comprendre la taille et l’échelle de notre univers.

Malgré leur importance, l’étude des Céphéides est un défi. Leurs pulsations et leurs interactions potentielles avec les étoiles compagnons créent des modèles complexes difficiles à mesurer avec précision. Les différents instruments et méthodes utilisés au fil des années ont conduit à des données incohérentes, compliquant ainsi notre compréhension de ces étoiles.

« Le suivi des pulsations des Céphéides avec la vélocimétrie haute définition nous donne un aperçu de la structure de ces étoiles et de leur évolution », explique Richard I. Anderson, astrophysicien à l’EPFL. « En particulier, les mesures de la vitesse à laquelle les étoiles se dilatent et se contractent le long de la ligne de visée, appelées vitesses radiales, constituent une contrepartie cruciale aux mesures précises de luminosité depuis l’espace. Cependant, il existe un besoin urgent de données de haute qualité. vitesses radiales parce qu’elles sont coûteuses à collecter et parce que peu d’instruments sont capables de les collecter.

Le projet VELOCE

Anderson a maintenant dirigé une équipe de scientifiques pour faire exactement cela avec le projet VELOcities of CEpheids (VELOCE), une vaste collaboration qui, en 12 ans, a collecté plus de 18 000 mesures de haute précision de 258 vitesses radiales des céphéides à l’aide de spectrographes avancés entre 2010 et 2022. Leurs recherches sont publié dans la revue Astronomie et astrophysique.

« Cet ensemble de données servira de point d’ancrage pour relier les observations de Céphéides provenant de différents télescopes au fil du temps et, espérons-le, inspirera des études plus approfondies par la communauté », explique Anderson.

VELOCE est le fruit d’une collaboration entre l’EPFL, l’Université de Genève et la KU Leuven. Il est basé sur les observations du télescope suisse Euler au Chili et du télescope flamand Mercator à La Palma. Anderson a commencé le projet VELOCE pendant son doctorat. à l’Université de Genève, il l’a poursuivi en tant que postdoc aux États-Unis et en Allemagne et l’a désormais terminé à l’EPFL. Le doctorat d’Anderson. Giordano Viviani, étudiant, a joué un rôle déterminant dans la publication des données VELOCE.

Révéler les mystères des Céphéides avec une précision de pointe

« La merveilleuse précision et la stabilité à long terme des mesures ont permis de nouvelles informations intéressantes sur la façon dont les Céphéides palpitent », explique Viviani. « Les pulsations entraînent des changements dans la vitesse en ligne de mire allant jusqu’à 70 km/s, soit environ 250 000 km/h. Nous avons mesuré ces variations avec une précision typique de 130 km/h (37 m/s), et dans certains cas jusqu’à 7 km/h (2 m/s), ce qui correspond à peu près à la vitesse d’un humain qui marche vite.

Pour obtenir des mesures aussi précises, les chercheurs de VELOCE ont utilisé deux spectrographes à haute résolution, qui séparent et mesurent les longueurs d’onde du rayonnement électromagnétique : HERMES dans l’hémisphère nord et CORALIE dans l’hémisphère sud. En dehors de VELOCE, CORALIE est célèbre pour la découverte d’exoplanètes et HERMES est un cheval de bataille de l’astrophysique stellaire.

Les deux spectrographes ont détecté de minuscules changements dans la lumière des Céphéides, indiquant leurs mouvements. Les chercheurs ont utilisé des techniques avancées pour garantir la stabilité et la précision de leurs mesures, en corrigeant les dérives instrumentales et les changements atmosphériques.

« Nous mesurons les vitesses radiales en utilisant l’effet Doppler », explique Anderson. « C’est le même effet que la police utilise pour mesurer votre vitesse, et aussi l’effet que vous connaissez du changement de ton lorsqu’une ambulance s’approche ou s’éloigne de vous. »

L’étrange danse des Céphéides

Le projet VELOCE a découvert plusieurs détails fascinants sur les étoiles céphéides. Par exemple, les données VELOCE fournissent l’examen le plus détaillé à ce jour de la progression de Hertzsprung (un modèle dans les pulsations des étoiles) montrant des bosses à double pic qui n’étaient pas connues auparavant et fourniront des indices pour mieux comprendre la structure des Céphéides par rapport aux modèles théoriques. d’étoiles palpitantes.

L’équipe a découvert que plusieurs Céphéides présentent une variabilité complexe et modulée dans leurs mouvements. Cela signifie que les vitesses radiales des étoiles changent d’une manière qui ne peut être expliquée par des modèles de pulsations simples et réguliers. En d’autres termes, alors que l’on s’attendrait à ce que les Céphéides palpitent à un rythme prévisible, les données VELOCE révèlent des variations supplémentaires inattendues dans ces mouvements.

Ces variations ne sont pas cohérentes avec les modèles théoriques de pulsations traditionnellement utilisés pour décrire les Céphéides. « Cela suggère qu’il existe des processus plus complexes qui se produisent au sein de ces étoiles, tels que des interactions entre différentes couches de l’étoile, ou des signaux de pulsation supplémentaires (non radiaux) qui pourraient présenter une opportunité de déterminer la structure des étoiles céphéides par astérosismologie », explique Henryka Netzel, postdoctorante d’Anderson. Les premières détections de tels signaux basées sur VELOCE sont rapportées dans un article complémentaire (Netzel et al., sous presse).

Systèmes binaires

L’étude a également identifié 77 étoiles céphéides faisant partie de systèmes binaires (deux étoiles en orbite l’une autour de l’autre) et a trouvé 14 autres candidates. Un article complémentaire dirigé par l’ancienne postdoctorante d’Anderson, Shreeya Shetye, décrit ces systèmes en détail, ajoutant ainsi à notre compréhension de la façon dont ces étoiles évoluent et interagissent les unes avec les autres.

« Nous constatons qu’environ une Céphéide sur trois a un compagnon invisible dont nous pouvons déterminer la présence par effet Doppler », explique Shetye.

« Comprendre la nature et la physique des Céphéides est important car elles nous renseignent sur la façon dont les étoiles évoluent en général et parce que nous comptons sur elles pour déterminer les distances et le taux d’expansion de l’univers », explique Anderson. « De plus, VELOCE fournit les meilleures vérifications croisées disponibles pour des mesures similaires mais moins précises de la mission Gaia de l’ESA, qui mènera à terme la plus grande étude de mesures de vitesse radiale des Céphéides. »