Bild: RS Puppis, einer der hellsten Cepheiden-Veränderlichen, dessen Helligkeit in einem sechswöchigen Zyklus rhythmisch ab- und zunimmt. Credit: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration. Link zum Originalfoto.
Die "klassischen Cepheiden" sind eine Art pulsierender Stern, dessen Helligkeit im Laufe der Zeit rhythmisch ab- und zunimmt. Ihre Pulsationen ermöglichen es den Astronomen, große Entfernungen im Weltraum zu messen, was die Cepheiden zu unverzichtbaren "Standardkerzen" macht, um die Größe und den Maßstab unseres Universums zu verstehen.
Trotz ihrer Bedeutung ist die Erforschung von Cepheiden eine Herausforderung. Ihr Pulsieren und ihre potenziellen Wechselwirkungen mit benachbarten Sternen erzeugen komplexe Muster, die sich nur schwer genau messen lassen. Die verschiedenen Instrumente und Methoden, die im Laufe der Jahre verwendet wurden, haben uneinheitliche Daten geliefert, was unser Verständnis dieser Sterne erschwert.
"Die Verfolgung der Pulsationen der Cepheiden mittels hochauflösender Velocimetrie ermöglicht es uns, die Struktur dieser Sterne und ihre Entwicklung besser zu verstehen", erklärt Richard I. Anderson, Astrophysiker an der EPFL. Insbesondere die Messung der Ausdehnungs- und Kontraktionsgeschwindigkeit der Sterne auf der Sichtlinie, die sogenannten Radialgeschwindigkeiten, sind eine wichtige Ergänzung zu den präzisen Helligkeitsmessungen aus dem Weltraum. Es besteht jedoch ein dringender Bedarf an qualitativ hochwertigen Radialgeschwindigkeiten, da ihre Erhebung teuer ist und nur wenige Instrumente dazu in der Lage sind."
Das VELOCE-Projekt
Richard I. Anderson leitete ein Team von Wissenschaftlern, um diese Aufgabe im Rahmen des Projekts VELOcities of CEpheids (VELOCE) zu erledigen. Über einen Zeitraum von 12 Jahren, zwischen 2010 und 2022, wurden im Rahmen dieser umfangreichen Zusammenarbeit mehr als 18.000 hochpräzise Messungen von 258 Radialgeschwindigkeiten von Cepheiden mithilfe hochentwickelter Spektrographen gesammelt. "Dieser Datensatz wird als Ankerpunkt dienen, um die Cepheiden-Beobachtungen, die von verschiedenen Teleskopen aus über die Jahre hinweg gemacht wurden, zu verbinden, und hoffentlich die Gemeinschaft zu weiteren Studien inspirieren."VELOCE ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der EPFL, der Universität Genf und der KU Leuven. Das Projekt stützt sich auf Beobachtungen, die vom Schweizer Leonhard-Euler-Teleskop in Chile und vom flämischen Mercator-Teleskop auf der Insel La Palma aus durchgeführt wurden. Richard I. Anderson begann das VELOCE-Projekt während seiner Doktorarbeit an der Universität Genf und setzte es als Postdoktorand in den USA und in Deutschland fort, bevor er es an der EPFL abschloss. Giordano Viviani, Doktorand von Richard I. Anderson, trug zur Verbreitung der VELOCE-Daten bei.
Es ist wichtig, die Natur und Physik der Cepheiden zu verstehen, da sie uns Aufschluss über die Entwicklung von Sternen im Allgemeinen geben und es uns ermöglichen, die Entfernungen und die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zu bestimmen.
Richard I. Anderson (EPFL)
Mit höchster Präzision die Geheimnisse der Cepheiden entschlüsseln
"Die außergewöhnliche Genauigkeit und die Stabilität der Langzeitmessungen haben zu interessanten Erkenntnissen über die Pulsationen der Cepheiden geführt", sagt Giordano Viviani. "Die Pulsationen führen zu Änderungen der Geschwindigkeit der Sichtlinie von bis zu 70 km/s, was etwa 250.000 km/h entspricht. Wir haben diese Veränderungen mit einer Standardgenauigkeit von 130 km/h (37 m/s) und in einigen Fällen mit einer Genauigkeit von 7 km/h (2 m/s) gemessen, was in etwa der Geschwindigkeit entspricht, mit der ein Mensch schnell gehen kann."Um solch genaue Messungen zu erhalten, haben die Forscherinnen und Forscher des VELOCE-Projekts zwei hochauflösende Spektrographen verwendet, die die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung trennen und messen: HERMES auf der Nordhalbkugel und CORALIE auf der Südhalbkugel. Neben VELOCE ist CORALIE für die Suche nach Exoplaneten bekannt, und HERMES ist ein wichtiger Bestandteil der stellaren Astrophysik.
Die beiden Spektrographen erfassten winzige Veränderungen im Licht der Cepheiden, die auf ihre Bewegungen hinweisen. Die Forscherinnen und Forscher verwendeten moderne Techniken, um die Stabilität und Genauigkeit ihrer Messungen zu gewährleisten, indem sie instrumentelle Drifts und atmosphärische Veränderungen korrigierten. "Wir messen die Radialgeschwindigkeiten mithilfe des Dopplereffekts", erklärt Richard I. Anderson. "Es ist derselbe Effekt, den die Polizei benutzt, um Ihre Geschwindigkeit zu messen, und auch der Effekt, den Sie kennen, wenn ein Krankenwagen seine Tonlage ändert, wenn er sich Ihnen nähert oder sich von Ihnen entfernt."
Der seltsame Tanz der Cepheiden
Das VELOCE-Projekt hat einige faszinierende Details über Cepheiden enthüllt. Zum Beispiel liefern die VELOCE-Daten den bislang detailliertesten Einblick in die Hertzsprung-Progression - ein Modell für pulsierende Sterne - und zeigen bisher unbekannte Doppelspitzenbuckel, die im Vergleich zu theoretischen Modellen für pulsierende Sterne neue Erkenntnisse über die Struktur von Cepheiden liefern werden.Das Team fand heraus, dass mehrere Cepheiden eine komplexe und modulierte Variabilität in ihren Bewegungen aufweisen. Das bedeutet, dass sich die Radialgeschwindigkeiten der Sterne auf eine Weise verändern, die sich nicht mit einfachen, regelmäßigen Pulsationsmustern erklären lässt. Mit anderen Worten: Während man erwarten würde, dass Cepheiden in einem vorhersehbaren Rhythmus pulsieren, zeigen die VELOCE-Daten weitere unerwartete Variationen in diesen Bewegungen.
Diese Variationen stimmen nicht mit den theoretischen Pulsationsmodellen überein, die traditionell zur Beschreibung von Cepheiden verwendet werden. "Das deutet darauf hin, dass innerhalb dieser Sterne komplexere Prozesse ablaufen, wie etwa Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Schichten des Sterns oder zusätzliche (nicht-radiale) Pulssignale, die es ermöglichen könnten, die Struktur der Cepheiden asteroseismologisch zu bestimmen", verrät Henryka Netzel, Postdoktorandin von Richard I.. Anderson. Über die ersten Nachweise solcher Signale auf der Grundlage von VELOCE wird in einem zusätzlichen Artikel berichtet (Netzel et al. im Druck).
Binäre Systeme
Die Studie identifizierte außerdem 77 Cepheiden, die Teil von Doppelsternsystemen sind (zwei Sterne, die sich gegenseitig umkreisen), und fand 14 weitere Kandidaten. Ein ergänzender Artikel von Shreeya Shetye, einer ehemaligen Postdoktorandin von Richard I. Anderson, beschreibt diese Systeme im Detail, was zu einem besseren Verständnis der Entwicklung dieser Sterne und ihrer Interaktion untereinander führt. "Wir stellen fest, dass etwa jeder dritte Cepheide einen unsichtbaren Stern besitzt, dessen Anwesenheit durch den Dopplereffekt bestimmt werden kann", sagt Shreeya Shetye."Es ist wichtig, die Natur und Physik der Cepheiden zu verstehen, denn sie geben uns Aufschluss über die Entwicklung von Sternen im Allgemeinen und ermöglichen es uns, die Entfernungen und die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zu bestimmen", fügt Richard I. hinzu. Anderson. "VELOCE liefert außerdem die besten verfügbaren Überschneidungen für ähnliche, aber weniger genaue Messungen der Gaia-Mission der ESA, die letztendlich die größte Erhebung von Radialgeschwindigkeitsmessungen von Cepheiden durchführen wird."
