As "Cefeidas Clássicas" são um tipo de estrela pulsante que aumenta e diminui ritmicamente com o tempo. Essas pulsações ajudam os astrônomos a medir vastas distâncias no espaço, o que torna as Cefeidas "velas padrão" cruciais que nos ajudam a compreender o tamanho e a escala do nosso universo.

Apesar de sua importância, estudar as Cefeidas é um desafio. As suas pulsações e potenciais interações com estrelas companheiras criam padrões complexos que são difíceis de medir com precisão. Diferentes instrumentos e métodos utilizados ao longo dos anos levaram a dados inconsistentes, complicando a nossa compreensão destas estrelas.

"Traçar as pulsações das Cefeidas com velocimetria de alta definição dá-nos informações sobre a estrutura destas estrelas e como evoluem," diz Richard I. Anderson, astrofísico da EPFL. "Em particular, as medições da velocidade com que 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 alta qualidade velocidades radiais porque são caras para coletar e porque poucos instrumentos são capazes de coletá-las."

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. A pesquisa deles foi publicada na revista Astronomy & Astrophysics.

“Este conjunto de dados servirá como uma âncora para ligar as observações das Cefeidas de diferentes telescópios ao longo do tempo e, esperançosamente, inspirará estudos adicionais por parte da comunidade”, diz Anderson.

VELOCE é fruto de uma colaboração entre a EPFL, a Universidade de Genebra e a KU Leuven. Baseia-se em observações do telescópio suíço Euler no Chile e do telescópio flamengo Mercator em La Palma. Anderson iniciou o projeto VELOCE durante seu doutorado. na Universidade de Genebra, continuou como pós-doutorado nos EUA e na Alemanha, e agora o concluiu na EPFL. Ph.D, de Anderson, o aluno Giordano Viviani foi fundamental para tornar possível a divulgação dos dados do VELOCE.

“A maravilhosa precisão e a estabilidade a 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 chega a 7 km/h (2 m/s), que é aproximadamente a velocidade de um ser humano andando rápido."

Para obter medições tão precisas, os investigadores do VELOCE utilizaram dois espectrógrafos de alta resolução, que separam e medem comprimentos de onda na radiação electromagnética: HERMES no hemisfério norte e CORALIE no hemisfério sul. Fora do VELOCE, CORALIE é famosa por encontrar exoplanetas e HERMES é um burro de carga da astrofísica estelar.

Os dois espectrógrafos detectaram pequenas mudanças na luz das Cefeidas, indicando os seus movimentos. Os pesquisadores usaram técnicas avançadas para garantir que suas medições fossem estáveis e precisas, corrigindo quaisquer desvios instrumentais e mudanças atmosféricas.

“Medimos as 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”.

O projeto VELOCE descobriu vários detalhes fascinantes sobre as estrelas Cefeidas. Por exemplo, os dados VELOCE fornecem a visão mais detalhada da progressão de Hertzsprung – um padrão nas pulsações das estrelas – mostrando saliências de pico duplo que não eram conhecidas anteriormente e fornecerão pistas para uma melhor compreensão da estrutura das Cefeidas quando comparadas com modelos teóricos de estrelas pulsantes.

A equipe descobriu que várias Cefeidas exibem variabilidade complexa e modulada em seus movimentos. Isto significa que as velocidades radiais das estrelas mudam de maneiras que não podem ser explicadas por padrões de pulsação simples e regulares. Por outras palavras, embora esperássemos que as Cefeidas pulsassem com um ritmo previsível, os dados do VELOCE revelam variações adicionais e inesperadas nestes movimentos.

Estas variações não são consistentes com os modelos teóricos de pulsação tradicionalmente usados para descrever Cefeidas. “Isto sugere que existem processos mais intrincados ocorrendo dentro destas estrelas, tais como interações entre diferentes camadas da estrela, ou sinais de pulsação adicionais (não radiais) que podem representar uma oportunidade para determinar a estrutura das estrelas Cefeidas por asterossismologia”, diz Pós-doutorado de Anderson, Henryka Netzel. As primeiras detecções de tais sinais baseadas no VELOCE são relatadas em um artigo complementar (Netzel et al., no prelo).

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 antiga pós-doutoranda de Anderson, Shreeya Shetye, descreve estes sistemas em detalhe, aumentando a nossa compreensão de como estas 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.

“Compreender a natureza e a física das Cefeidas é importante porque elas nos contam como as estrelas evoluem em geral e porque dependemos delas para determinar as 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 o maior levantamento de medições de velocidade radial das Cefeidas."