Pengukuran Revolusioner Mendefinisikan Ulang Bintang Cepheid

Wawasan baru dari proyek VELOCE mengenai bintang Cepheid mencakup pola denyut terperinci dan dinamika sistem biner, yang diperoleh dari pengukuran kecepatan radial yang ekstensif.

“Cepheid Klasik” adalah jenis bintang berdenyut yang secara berirama semakin terang dan redup seiring waktu. Denyut ini membantu para astronom mengukur jarak yang sangat jauh di luar angkasa, menjadikan Cepheid sebagai “lilin standar” penting yang membantu kita memahami ukuran dan skala alam semesta kita.

Meskipun penting, mempelajari Cepheid merupakan suatu tantangan. Denyut dan potensi interaksinya dengan bintang pendamping menciptakan pola kompleks yang sulit diukur secara akurat. Berbagai instrumen dan metode yang digunakan selama bertahun-tahun telah menghasilkan data yang tidak konsisten, sehingga mempersulit pemahaman kita tentang bintang-bintang ini.

“Menelusuri denyutan Cepheid dengan velocimetry definisi tinggi memberi kita wawasan tentang struktur bintang-bintang ini dan bagaimana mereka berevolusi,” kata Richard I. Anderson, seorang astrofisikawan di EPFL. “Secara khusus, pengukuran kecepatan bintang mengembang dan menyusut di sepanjang garis pandang – yang disebut kecepatan radial – memberikan padanan penting untuk pengukuran kecerahan yang tepat dari luar angkasa. Namun, ada kebutuhan mendesak untuk kecepatan radial berkualitas tinggi karena mahal untuk dikumpulkan dan karena hanya sedikit instrumen yang mampu mengumpulkannya.”

Proyek VELOCE

Anderson kini telah memimpin tim ilmuwan untuk melakukan hal tersebut dengan proyek VELOcities of CEpheids (VELOCE), sebuah kolaborasi besar yang, selama 12 tahun, telah mengumpulkan lebih dari 18.000 pengukuran presisi tinggi dari 258 kecepatan radial Cepheid menggunakan spektrograf canggih antara tahun 2010 dan 2022. “Kumpulan data ini akan berfungsi sebagai jangkar untuk menghubungkan pengamatan Cepheid dari berbagai teleskop lintas waktu dan diharapkan akan menginspirasi studi lebih lanjut oleh komunitas.”

VELOCE merupakan hasil kerja sama antara EPFL, Universitas Jenewa, dan KU Leuven. Proyek ini didasarkan pada pengamatan dari teleskop Swiss Euler di Chili dan teleskop Flemish Mercator di La Palma. Anderson memulai proyek VELOCE saat menempuh pendidikan doktoral di Universitas Jenewa, melanjutkannya sebagai postdoc di AS dan Jerman, dan kini telah menyelesaikannya di EPFL. Mahasiswa doktoral Anderson, Giordano Viviani, berperan penting dalam memungkinkan rilis data VELOCE.

“Memahami sifat dan fisika Cepheid penting karena mereka memberi tahu kita tentang bagaimana bintang berevolusi secara umum, dan karena kita mengandalkan mereka untuk menentukan jarak dan laju ekspansi Alam Semesta.”

— Richard I. Anderson (Tim Nasional EPFL)

Mengungkap Misteri Cepheid dengan Presisi Mutakhir

“Ketepatan luar biasa dan stabilitas jangka panjang dari pengukuran ini telah memungkinkan wawasan baru yang menarik tentang bagaimana Cepheid berdenyut,” kata Viviani. “Denyut tersebut menyebabkan perubahan kecepatan garis pandang hingga 70 km/detik, atau sekitar 250.000 km/jam. Kami telah mengukur variasi ini dengan ketepatan tipikal 130 km/jam (37 m/detik), dan dalam beberapa kasus setinggi 7 km/jam (2 m/detik), yang kira-kira sama dengan kecepatan jalan cepat manusia.”

Untuk memperoleh pengukuran yang presisi tersebut, para peneliti VELOCE menggunakan dua spektrograf beresolusi tinggi, yang memisahkan dan mengukur panjang gelombang dalam radiasi elektromagnetik: HERMES di belahan bumi utara dan CORALIE di belahan bumi selatan. Selain VELOCE, CORALIE terkenal karena menemukan eksoplanet dan HERMES adalah pekerja keras dalam astrofisika bintang.

Kedua spektrograf mendeteksi pergeseran kecil dalam cahaya Cepheid, yang menunjukkan pergerakannya. Para peneliti menggunakan teknik canggih untuk memastikan pengukuran mereka stabil dan akurat, mengoreksi setiap pergeseran instrumental dan perubahan atmosfer. “Kami mengukur kecepatan radial menggunakan efek Doppler,” jelas Anderson. “Efeknya sama dengan yang digunakan polisi untuk mengukur kecepatan Anda, dan juga efek yang Anda ketahui dari perubahan nada saat ambulans mendekati atau menjauh dari Anda.”

Tarian Aneh Cepheid

Proyek VELOCE telah mengungkap beberapa detail menarik tentang bintang Cepheid. Misalnya, data VELOCE memberikan gambaran paling rinci tentang perkembangan Hertzsprung – pola dalam denyutan bintang – yang mengungkap tonjolan berpuncak ganda yang sebelumnya tidak diketahui yang akan memberikan petunjuk untuk lebih memahami struktur Cepheid jika dibandingkan dengan model teoritis bintang yang berdenyut.

Tim menemukan bahwa beberapa bintang Cepheid menunjukkan variabilitas termodulasi yang kompleks dalam gerakannya. Ini berarti bahwa kecepatan radial bintang berubah dengan cara yang tidak dapat dijelaskan oleh pola denyutan yang sederhana dan teratur. Dengan kata lain, meskipun kita mengharapkan bintang Cepheid berdenyut dengan ritme yang dapat diprediksi, data VELOCE mengungkapkan variasi tambahan yang tidak terduga dalam gerakan ini.

Variasi ini tidak konsisten dengan model pulsasi teoritis yang secara tradisional digunakan untuk menggambarkan Cepheid. “Hal ini menunjukkan bahwa ada proses yang lebih kompleks yang terjadi di dalam bintang-bintang ini, seperti interaksi antara lapisan bintang yang berbeda, atau sinyal pulsasi (non-radial) tambahan yang dapat memberikan peluang untuk menentukan struktur Cepheid melalui asteroseismologi,” kata postdoc Anderson, Henryka Netzel. Deteksi pertama sinyal tersebut oleh VELOCE dilaporkan dalam makalah pendamping (Netzel et al. in press).

Sistem biner

Studi ini juga mengidentifikasi 77 Cepheid yang merupakan bagian dari sistem biner (dua bintang yang saling mengorbit) dan menemukan 14 kandidat lainnya. Sebuah makalah pendamping yang dipimpin oleh mantan postdoc Anderson, Shreeya Shetye, menjelaskan sistem ini secara terperinci, yang menambah pemahaman kita tentang bagaimana bintang-bintang ini berevolusi dan berinteraksi satu sama lain. “Kami melihat bahwa sekitar satu dari tiga Cepheid memiliki pendamping yang tak terlihat yang keberadaannya dapat kami tentukan melalui efek Doppler,” kata Shetye.

“Memahami sifat dan fisika Cepheid penting karena sifat dan fisika tersebut memberi tahu kita tentang bagaimana bintang berevolusi secara umum, dan karena kita mengandalkannya untuk menentukan jarak dan laju ekspansi Alam Semesta,” kata Anderson. “Selain itu, VELOCE menyediakan pemeriksaan silang terbaik yang tersedia untuk pengukuran serupa, tetapi kurang tepat, dari misi Gaia milik ESA, yang pada akhirnya akan melakukan survei terbesar terhadap pengukuran kecepatan radial Cepheid.”

Referensi: “VELOcities of CEpheids (VELOCE) – I. Kecepatan radial presisi tinggi Cepheids” oleh Richard I. Anderson, Giordano Viviani, Shreeya S. Shetye, Nami Mowlavi, Laurent Eyer, Lovro Palaversa, Berry Holl, Sergi Blanco-Cuaresma, Kateryna Kravchenko, Michał Pawlak, Mauricio Cruz Reyes, Saniya Khan, Henryka E. Netzel, Lisa Löbling, Péter I. Pápics, Andreas Postel, Maroussia Roelens, Zoi T. Spetsieri, Anne Thoul, Jiří Žák, Vivien Bonvin, David V. Martin, Martin Millon, Sophie Saesen, Aurélien Wyttenbach, Pedro Figueira, Maxime Marmier, Saskia Prins, Gert Raskin dan Hans van Winckel, 14 Juni 2024, Astronomi & Astrofisika.
Nomor Identifikasi Penduduk: 10.1051/0004-6361/202348400

Kontributor Lainnya

• Institut Ruder Bošković
• Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian
• Rumah Sakit Universitas Lausanne (CHUV)
• Universitas Lausanne (UNIL)
• Institut Max Planck untuk Fisika Ekstraterestrial
• Universitas Lund
• Universitas Eberhard Karls
• Universitas Liege
• Observatorium Eropa Selatan
• Universitas Tufts
• Universitas Stanford
• Universitas Porto