Misure di alta precisione per svelare i misteri delle Cefeidi

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Crediti: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Collaborazione Hubble/Euro
Crediti: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Collaborazione Hubble/Europa
Nell’ambito del progetto VELOCE, gli scienziati dell’EPFL sono riusciti a misurare la velocità delle cefeidi, le "candele standard" che misurano le dimensioni dell’Universo, con una precisione senza precedenti.

Foto: RS Puppis, una delle stelle variabili Cefeidi più luminose, la cui luminosità diminuisce e aumenta ritmicamente nel corso di un ciclo di sei settimane. Crediti: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Collaborazione Hubble/Europa. Link alla foto originale.

Le "cefeidi classiche" sono un tipo di stella pulsante la cui luminosità diminuisce e aumenta ritmicamente nel tempo. Le loro pulsazioni permettono agli astronomi di misurare grandi distanze nello spazio, rendendo le cefeidi le "candele standard" essenziali per comprendere le dimensioni e la scala del nostro Universo.

Nonostante la loro importanza, lo studio delle Cefeidi rappresenta una sfida. Le loro pulsazioni e le potenziali interazioni con le stelle vicine creano schemi complessi, difficili da misurare con precisione. I vari strumenti e metodi utilizzati nel corso degli anni hanno prodotto dati incoerenti, complicando la nostra comprensione di queste stelle.

"Monitorare le pulsazioni delle Cefeidi utilizzando la velocimetria ad alta definizione ci permette di comprendere meglio la struttura di queste stelle e la loro evoluzione", spiega Richard I. Anderson, astrofisico dell’EPFL. In particolare, le misure del tasso di espansione e contrazione delle stelle lungo la linea di vista, note come velocità radiali, sono un complemento essenziale alle misure precise della luminosità dallo spazio. Ma c’è un urgente bisogno di velocità radiali di alta qualità, perché sono costose da raccogliere e pochi strumenti sono in grado di farlo".

Il progetto VELOCE

Richard I. Anderson ha guidato un team di scienziati nell’ambito del progetto VELOcities of CEpheids (VELOCE). In 12 anni, tra il 2010 e il 2022, questa vasta collaborazione ha raccolto più di 18.000 misure di alta precisione di 258 velocità radiali di cefeidi utilizzando sofisticati spettrografi. "Questo set di dati servirà a collegare le osservazioni delle Cefeidi effettuate da diversi telescopi nel corso degli anni e, si spera, a ispirare ulteriori studi per la comunità".

VELOCE è il risultato di una collaborazione tra l’EPFL, l’Università di Ginevra e la KU Leuven. Il progetto si basa sulle osservazioni effettuate dal telescopio svizzero Leonhard-Euler in Cile e dal telescopio fiammingo Mercator sull’isola di La Palma. Richard I. Anderson ha iniziato il progetto VELOCE durante il suo dottorato all’Università di Ginevra e lo ha proseguito come borsista post-dottorato negli Stati Uniti e in Germania prima di completarlo all’EPFL. Giordano Viviani, dottorando di Richard I. Anderson, ha contribuito alla diffusione dei dati di VELOCE.

È importante comprendere la natura e la fisica delle Cefeidi, perché ci parlano dell’evoluzione delle stelle in generale e ci permettono di determinare le distanze e la velocità di espansione dell’Universo.

Richard I.
A nderson (EPFL)

Svelare i misteri delle Cefeidi con una precisione all’avanguardia

"L’eccezionale precisione e stabilità delle misure a lungo termine hanno permesso di ottenere interessanti informazioni sulle pulsazioni delle cefeidi", afferma Giordano Viviani. "Le pulsazioni causano variazioni della velocità della linea di vista fino a 70 km/s, ovvero circa 250.000 km/h. Abbiamo misurato queste variazioni con una precisione tipica di 130 km/h (37 m/s) e, in alcuni casi, con una precisione di 7 km/h (2 m/s), che corrisponde all’incirca alla velocità con cui un essere umano è in grado di camminare velocemente."

Per ottenere misure così precise, i ricercatori del progetto VELOCE hanno utilizzato due spettrografi ad alta risoluzione che separano e misurano le lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica: HERMES nell’emisfero nord e CORALIE nell’emisfero sud. Oltre che per VELOCE, CORALIE è famoso per la ricerca di esopianeti, mentre HERMES è un elemento chiave dell’astrofisica stellare.

I due spettrografi hanno rilevato piccoli cambiamenti nella luce delle cefeidi, indicando i loro movimenti. I ricercatori hanno utilizzato tecniche moderne per garantire la stabilità e l’accuratezza delle loro misurazioni, correggendo la deriva strumentale e i cambiamenti atmosferici. "Misuriamo le velocità radiali utilizzando l’effetto Doppler", spiega Richard I. Anderson. "È lo stesso effetto che le forze di polizia usano per misurare la vostra velocità, e anche l’effetto che sperimentate quando un’ambulanza cambia passo mentre si avvicina o si allontana da voi".

La strana danza delle cefeidi

Il progetto VELOCE ha rivelato una serie di dettagli affascinanti sulle cefeidi. Ad esempio, i dati di VELOCE forniscono la visione più dettagliata della progressione di Hertzsprung - un modello di pulsazioni stellari - indicando protuberanze a doppio picco precedentemente sconosciute che forniranno approfondimenti sulla struttura delle Cefeidi rispetto ai modelli teorici delle stelle pulsanti.

Il team ha scoperto che diverse Cefeidi presentano una variabilità complessa e modulata nei loro moti. Ciò significa che le velocità radiali delle stelle cambiano in un modo che non può essere spiegato da modelli di pulsazione semplici e regolari. In altre parole, mentre ci aspetteremmo che le cefeidi pulsino a un ritmo prevedibile, i dati di VELOCE rivelano altre variazioni inaspettate in questi moti.

Queste variazioni non sono coerenti con i modelli teorici di pulsazione tradizionalmente utilizzati per descrivere le Cefeidi. "Ciò indica che all’interno di queste stelle si verificano processi più complessi, come interazioni tra i diversi strati della stella, o segnali di pulsazione aggiuntivi (non radiali) che potrebbero consentire di determinare la struttura delle cefeidi utilizzando l’asterosismologia", rivela Henryka Netzel, borsista post-dottorato presso il Richard I. Anderson. I primi rilevamenti di tali segnali basati su VELOCE sono riportati in un articolo complementare (Netzel et al. in stampa).

Sistemi binari

Lo studio ha anche identificato 77 Cefeidi che fanno parte di sistemi binari (due stelle che orbitano l’una intorno all’altra) e ha trovato altri 14 candidati. Un articolo complementare scritto da Shreeya Shetye, ex borsista post-dottorato di Richard I. Anderson, descrive questi sistemi in dettaglio, fornendo una migliore comprensione dell’evoluzione di queste stelle e della loro interazione reciproca. "Abbiamo scoperto che circa una stella Cefeide su tre ha una stella invisibile la cui presenza può essere determinata dall’effetto Doppler", spiega Shreeya Shetye.

"È importante comprendere la natura e la fisica delle Cefeidi perché ci parlano dell’evoluzione delle stelle in generale e ci permettono di determinare le distanze e la velocità di espansione dell’Universo", aggiunge Richard I. Anderson. "VELOCE fornisce anche i migliori controlli incrociati disponibili per le misure simili, ma meno precise, della missione Gaia dell’ESA, che alla fine effettuerà la più grande indagine sulle misure di velocità radiale delle cefeidi".

Riferimenti

Richard I. Anderson, Giordano Viviani, Shreeya S. Shetye, Nami Mowlavi, Laurent Eyer, Lovro Palaversa, Berry Holl, Sergi Blanco-Cuaresma, Kateryna Kravchenko, Michal Pawlak, Mauricio Cruz Reyes, Saniya Khan, Henryka E. Netzel, Lisa Löbling, Péter I. Pápics, Andreas Postel, Maroussia Roelens, Zoi T. Spetsieri, Anne Thoul, Jirí Zák, Vivien Bonvin, David V. Martin, Martin Millon, Sophie Saesen, Aurélien Wyttenbach, Pedro Figueira, Maxime Marmier, Saskia Prins, Gert Raskin, Hans van Winckel. VELOcities of CEpheids (VELOCE) I. Velocità radiali di alta precisione delle Cefeidi. Astronomia & Astrofisica 14 giugno 2024. DOI: 10.1051/0004-6361/202348400