LESIA - Observatoire de Paris

Des oscillations de type solaire sont détectées sur une étoile massive par le satellite CoRoT

mercredi 24 juin 2009

Des oscillations, de même nature que celles du Soleil, dans une étoile massive déjà connue pour être un pulsateur classique, V1449 Aql (HD180642), viennent d’être découvertes grâce au satellite CoRoT(*). Ces oscillations vont permettre d’obtenir une meilleure connaissance des progéniteurs de supernovae, qui ont un impact important sur le milieu interstellaire ainsi que sur l’évolution galactique. La sismologie de ces étoiles permettra également une meilleure compréhension des processus hydrodynamiques dans des conditions extrêmes, le milieu stellaire étant très fortement stratifié et turbulent.
Les résultats de cette découverte sont présentés dans la revue Science par des chercheurs français (Observatoire de Paris, LESIA, CNRS, Université Paris-Sud 11), belges (Université de Liège, AGO) et québécois (Université de Montréal).

Sismologie stellaire

Les étoiles sont des systèmes physiques dont la description fait appel à une grande diversité de processus physiques qui se produisent sur des échelles spatiales, allant du microscopique au macroscopique et temporelles allant de la minute au milliard d’années. Les conditions extrêmes que l’on rencontre dans ces objets en font des laboratoires sans équivalent sur Terre.

L’évolution des étoiles dépend essentiellement de leurs masses. Néanmoins, cela dépend également d’un grand nombre de mécanismes physiques se déroulant en leur sein pendant la séquence principale (c-a-d la phase de combustion centrale de l’hydrogène). Par exemple, le transport des élément chimiques détermine la taille du noyau d’hélium et l’évolution post-séquence principale de l’étoile. Les processus de transport tels que la turbulence ou encore ceux induits par la rotation sont actuellement mal compris et modélisés. Des contraintes importantes sur ces processus physiques peuvent être obtenues à travers l’analyse des oscillations. En effet analyser les ondes sismiques qui agitent les étoiles permet de recueillir des informations sur leur structure interne. C’est un peu comme découvrir le son du violon et, à partir de là, comprendre comment le corps du violon résonne et comment l’archet le stimule.

Figure 1
Figure 1

Spectre Fourier de l’étoile V1449 Aql (HD180642) observée continûment par CoRoT durant environ 150 jours. Le mode de grande amplitude ( 40 000 parties par million [ppm]) et de basse fréquence (63.5 µHz) correspond à un mode auto-excité par une instabilité thermique (mécanisme « kappa »). Les oscillations de type solaire découvertes dans cette étoile sont visibles dans le domaine de fréquence entre 100 µHz et 250 µHz. Ces oscillations se distinguent des oscillations de basse fréquence par leur faible amplitude ( 100 ppm) et par leur plus grande largeur (autrement dit par leur durée de vie plus courte. Leur amplitudes sont bien au dessus du niveau du bruit instrumental (quelques ppm).
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La découverte d’oscillations de type solaire Le satellite spatial CoRoT qui a été lancé avec succès le 27 décembre 2006, s’inscrit comme une avancée majeure dans ce contexte. Il a pour objectifs la recherche d’exo-planètes mais aussi l’observation continue sur de longues durées d’étoiles variables. Ces deux objectifs sont pleinement remplis et CoRoT permet maintenant d’aller bien au-delà avec la récente découverte d’oscillations de type solaire dans une étoile massive.

Des pulsations de grande amplitude, excitées par une instabilité thermique liée au comportement de l’opacité avec la température (le mécanisme « kappa »), sont connues depuis très longtemps et pour un large éventail d’étoiles. Au contraire, les pulsations de très faibles amplitudes, excitées de manière stochastique (aléatoire) par la convection turbulente ont été détectées il y a seulement 40 ans dans le Soleil et beaucoup plus récemment dans d’autres étoiles équivalentes. Néanmoins, ces oscillations n’avaient jusqu’alors jamais été détectées, ni même soupçonnées dans une étoile massive de séquence principale.

La précision sans précédent des données CoRoT nous a ainsi permis d’annoncer la détection d’oscillations de type solaire dans une étoile massive, V1449 Aql (HD180642). Cette étoile était déjà identifiée comme étant une étoile de type Beta Cephei présentant des pulsations classiques du type « kappa ». Il s’agit donc de la première étoile pulsant à la fois comme une étoile massive et comme une étoile analogue à notre Soleil. Cette découverte est illustrée sur la figure 1.

Ces oscillations de type solaire se distinguent clairement des oscillations de basse fréquence par leur faible amplitude (quelques centaines de parties par million [ppm]) et par leur plus grande largeur (autrement dit par leur durée de vie beaucoup plus courte). Contrairement aux modes « kappa » de basse fréquence qui sont très cohérents, ces modes sont excités par un processus turbulent et stochastique opérant sur des échelles de temps relativement courtes. Les comportements temporels de ces deux types de modes sont donc très différents, comme l’atteste l’analyse temps-fréquence reproduite sur la figure 2.

Comme pour le Soleil, l’excitation des modes de type solaire détectés dans cette étoile serait dûe à la convection turbulente. Mais les amplitudes observées sont près de cent fois plus élevées que dans le Soleil. En effet, l’excitation prendrait place dans une région plus profonde et donc plus dense que la région d’excitation des modes solaires. Les éléments turbulents à l’origine de l’excitation y ont donc une énergie cinétique plus élevée que ceux à l’origine de l’excitation des modes solaires.

Figure 2
Figure 2

Analyse temps-fréquence de deux modes d’oscillation. Panneau supérieur : une oscillation de type solaire. Panneau inférieur : seconde harmonique du mode “kappa” dominant (63.5 µHz).
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Perspectives

Cette découverte ouvre la voie vers une modélisation plus fine des étoiles massives, les pulsations de basses fréquences sondant les régions les plus internes alors que les pulsations de hautes fréquences sondent les couches externes et en particulier les régions convectives superficielles. Il s’agit d’un enjeu important car la convection reste un processus physique très peu connu dans les étoiles. Mais bien au-delà, comprendre la convection turbulente est essentiel tant il s’agit d’un processus universel que l’on retrouve par exemple dans l’atmosphère terrestre mais également dans les océans.

Référence

Belkacem et al :
Solar-like oscillations in a massive star, Science, 19 juin 2009, Vol. 324, p. 1540

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