Balises pulsées : des mesures révolutionnaires redéfinissent les étoiles céphéides

Les nouvelles connaissances issues du projet VELOCE sur les étoiles Céphéides comprennent des modèles de pulsations détaillés et la dynamique des systèmes binaires, dérivés de mesures approfondies de la vitesse radiale.

Les « Céphéides classiques » sont un type d’étoile pulsante qui s’éclaircit et s’affaiblit de manière rythmique au fil du temps. Ces pulsations aident les astronomes à mesurer de vastes distances dans l’espace, ce qui fait des Céphéides des « bougies standards » cruciales qui nous aident à comprendre la taille et l’échelle de notre univers.

Malgré leur importance, l’étude des Céphéides est un véritable défi. Leurs pulsations et leurs interactions potentielles avec leurs étoiles compagnes créent des modèles complexes difficiles à mesurer avec précision. Les différents instruments et méthodes utilisés au fil des ans ont conduit à des données incohérentes, ce qui complique notre compréhension de ces étoiles.

« Le suivi des pulsations des céphéides par vélocimétrie haute définition nous permet de mieux comprendre la structure de ces étoiles et 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 – les vitesses dites radiales – constituent un complément essentiel aux mesures précises de la luminosité depuis l’espace. Cependant, il existe un besoin urgent de vitesses radiales de haute qualité, car elles sont coûteuses à collecter et 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 grande collaboration qui, en 12 ans, a collecté plus de 18 000 mesures de haute précision de 258 vitesses radiales de Céphéides à l'aide de spectrographes avancés entre 2010 et 2022. « Cet ensemble de données servira d'ancrage pour relier les observations de Céphéides à partir de différents télescopes au fil du temps et, espérons-le, inspirera de nouvelles études de la part de la communauté. »

VELOCE est le fruit d'une collaboration entre l'EPFL, l'Université de Genève et la KU Leuven. Il s'appuie 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, l'a poursuivi en tant que postdoctorant aux États-Unis et en Allemagne, et l'a maintenant terminé à l'EPFL. Le doctorant d'Anderson, Giordano Viviani, a joué un rôle déterminant dans la publication des données VELOCE.

« Il est important de comprendre la nature et la physique des Céphéides, car elles nous renseignent sur la manière 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. »

— Richard I. Anderson (EPFL)

Décrypter les mystères des Céphéides avec une précision de pointe

« La précision remarquable et la stabilité à long terme des mesures ont permis d’obtenir de nouvelles informations intéressantes sur la manière dont les Céphéides pulsent », explique Viviani. « Les pulsations entraînent des changements de vitesse dans la ligne de visée pouvant atteindre 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 rapidement. »

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 outil de travail de l'astrophysique stellaire.

Les deux spectrographes ont détecté de minuscules variations 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 à l'aide de 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 grâce au changement de tonalité lorsqu'une ambulance s'approche ou s'éloigne de vous. »

Les observations de VELOCE permettent de suivre l'expansion et la contraction des étoiles Céphéides avec une précision sans précédent. À gauche : les spectres observés de l'archétype des Céphéides Delta Cephei, dont la longueur d'onde change en fonction des pulsations. À droite : la courbe de vitesse radiale mesurée par VELOCE, avec la taille variable de l'étoile représentée (non à l'échelle) à l'aide de symboles en forme d'étoile. Crédit : RI Anderson (EPFL)

L'étrange danse des Céphéides

Le projet VELOCE a permis de découvrir plusieurs détails fascinants sur les étoiles Céphéides. Par exemple, les données VELOCE offrent l'aperçu 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 pulsantes.

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 pas être expliquée par des modèles de pulsations simples et réguliers. En d'autres termes, alors que nous nous attendrions à ce que les Céphéides pulsent selon un rythme prévisible, les données VELOCE révèlent des variations supplémentaires et inattendues dans ces mouvements.

Ces variations ne sont pas cohérentes avec les modèles de pulsation théoriques traditionnellement utilisés pour décrire les Céphéides. « Cela suggère que des processus plus complexes 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 offrir l'occasion 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, contribuant à notre compréhension de la façon dont ces étoiles évoluent et interagissent entre elles. « Nous constatons qu’environ une Céphéide sur trois possède un compagnon invisible dont nous pouvons déterminer la présence grâce à l’effet Doppler », explique Shetye.

« Il est important de comprendre la nature et la physique des Céphéides, car elles nous renseignent sur l’évolution générale des étoiles et nous permettent de 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 la vitesse radiale des Céphéides. »

Autres contributeurs

• Institut Ruder Bošković
• Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian
• Hôpital universitaire vaudois (CHUV)
• Université de Lausanne (UNIL)
• Institut Max Planck de physique extraterrestre
• Université de Lund
• Université Eberhard Karl
• Université de Liège
• Observatoire européen austral
• Université Tufts
• Université de Stanford
• Université de Porto