Determination of the distance to the Andromeda Galaxy using variable stars

Abstract

The Andromeda Galaxy (M31) is an excellent distance calibrator in the Cosmological Distance Ladder. We present the first direct distance determination to M31 using eclipsing binaries (EBs). EBs provides direct distance determinations because the fundamental properties of their components can be measured without any previous calibration. Distance determination with EBs requires, at least, two data sets: time series photometry and spectroscopy.<br/>We obtained high quality light curves (rms~0.01 mag) from a 34'x34' photometric survey in M31 (in Johnson B and V filters) carried out at the 2.5 m Isaac Newton Telescope (La Palma, Spain). This survey provided light curves for almost 4000 variable stars, with over 400 EBs and 400 Cepheids. The 24 brightest EBs (V<20.5 mag) with deeper eclipses (dV>0.2 mag) were selected as optimum candidates for distance determination. Five of these EBs (located in a 5'x5' region) were selected to be observed with the multi-object spectrograph (GMOS) at the Gemini-North telescope. We obtained accurate radial velocities for the four brightest EBs observed with GMOS, enabling the first direct determination of masses and radii of stars in M31. Two of these EBs were used to derive a direct distance determination to M31 of (m-M)o=24.36+/-0.08 mag.<br/>Another system is the most massive EB with apsidal motion ever reported, enabling the analysis of the distribution of matter in the interior of stars with masses larger than 40 Msun. In all cases, the direct determination of masses and radii allowed a direct comparison with stellar evolutionary models, providing the evolutionary stage for each system. In addition to the EB analysis, we also performed a comprehensive study of Cepheids in M31. The obtained results showed that blending is as important as metallicity correction when determining Cepheid distances to Local Group galaxies and provided an additional distance determination to M31 of (m-M)o=24.32+-0.12 mag, fully compatible with the EB distance. Finally, we also discovered a large flare during the acquisition of the photometric catalog. The performed study revealed that the underlying source was a dM star having one of the most energetic flares ever observed.

La Galàxia d'Andròmeda (M31) és un excel·lent calibrador de l'escala cosmològica de distàncies. Presentem la primera determinació directa de la distància a M31 mitjançant binàries eclipsants (EBs). Les EBs proporcionen determinacions directes de la distància perquè les propietats físiques dels seus components es poden mesurar sense cap calibratge previ. Les determinacions de distància a partir de EBs requereixen, almenys, dos tipus d'observacions: series fotomètriques i espectroscòpia. Vam obtenir corbes de llum de gran qualitat (rms~0.01 mag) amb el telescopi Isaac Newton (a La Palma) d'un camp de 34'x34' a M31 (amb els filtres Johnson B i V). Aquest estudi va proporcionar corbes de llum de gairebé 4000 estrelles variables, amb més de 400 EBs i 400 Cefeides. <br/>Les 24 EBs més brillants (V<20.5 mag) i amb eclipsis més profunds (dV>0.2 mag) es van seleccionar com a candidates idònies per determinar-ne la distància. Cinc d'aquestes EBs (situades en una regió de 5'x5') es van selecccionar per observar-se amb l'espectrògraf multiobjecte (GMOS) al telescopi Gemini-North. Vam obtenir velocitats radials d'alta qualitat per a les quatre EBs més brillants observades amb GMOS, permetent la primera determinació directa de masses i radis d'estrelles a M31. Dues d'aquestes EBs van ser utilitzades per obtenir una determinació directa de la distància a M31 de (m-M)o=24.36+/-0.08 mag. Un altre sistema va resultar ser el sistema més massiu amb moviment apsidal mai detectat, permetent l'anàlisi de la distribución de matèria a l'interior de les estrelles amb masses superiors a 40 masses solars. En tots els casos, la determinació directa de les masses i els radis va permetre una comparació directa amb models estel·lars, proporcionant l'estadi evolutiu de cada sistema. <br/>Paral·lelament a l'anàlisi de binàries, vam realitzar un exhaustiu estudi de les Cefeides de M31. Els resultats obtinguts van demostrar que l'efecte de la confusió de diverses fonts (blending) és tant important com la correcció de metal·licitat per a la determinació de distàncies amb Cefeides al Grup Local i van proporcionar una distància addicional a M31 de (m-M)o=24.32+/-0.12 mag, completament compatible amb la distància de les EBs. Finalment, vam descobrir una gran fulguració estel·lar durant l'adquisició del catàleg fotomètric. L'estudi realitzat va revelar que la font era una estrella dM, amb una de les fulguracions més energètiques mai observades.

La Galaxia de Andrómeda (M31) es un excelente calibrador de la escala cosmológica de distancias. Presentamos la primera determinación directa de la distancia a M31 mediante binarias eclipsantes (EBs). Las EBs proporcionan determinaciones directas de la distancia porque las propiedades físicas de sus componentes se pueden medir sin ningún tipo de calibración previa. Las determinaciones de distancia a partir de EBs requieren, como mínimo, dos tipos de observaciones: series fotométricas y espectroscopia. Obtuvimos curvas de luz de gran calidad (rms~0.01 mag) con el telescopio Isaac Newton (en La Palma) en un campo de 34'x34' en M31 (con los filtros Johnson B y V). Este estudio proporcionó curvas de luz para casi 4000 estrellas variables, con más de 400 EBs y 400 Cefeidas. Las 24 EBs más brillantes (V<20.5 mag) y con eclipses más profundos (dV>0.2 mag) se seleccionaron como candidatos idóneos para determinar la distancia. Cinco de estas EBs (situadas en una región de 5'x5') se seleccionaron para ser observadas con el espectrógrafo multiobjeto (GMOS) en el telescopio Gemini-North. Obtuvimos velocidades radiales de alta calidad para las cuatro EBs más brillantes observadas con GMOS, permitiendo la primera determinación directa de masas y radios para estrellas de M31. Dos de estas EBs fueron utilizadas para obtener una determinación directa de la distancia a M31 de (m-M)o=24.36+/-0.08 mag. <br/>Otro sistema resultó ser el sistema más masivo con movimiento apsidal nunca detectado, permitiendo el análisis de la distribución de materia en el interior de las estrellas con masas superiores a 40 masas solares. En todos los casos, la determinación directa de masas y radios permitió una comparación directa con modelos estelares, proporcionando así el estadio evolutivo de cada sistema. Paralelamente al análisis de binarias, realizamos un exhaustivo estudio de las Cefeidas en M31. Los resultados obtenidos demostraron que el efecto de la confusión de varias fuentes (blending) es tan importante como la corrección de metalicidad para la determinación de distancias con Cefeidas en el Grupo Local y proporcionaron una distancia adicional a M31 de (m-M)o=24.32+/-0.12 mag, completamente compatible con la distancia de las EBs. Finalmente, se descubrió una gran fulguración estelar durante la adquisición del catálogo fotométrico. El estudio realizado reveló que la fuente era una estrella dM, presentando una de las fulguraciones más energéticas nunca observadas.