Astérosismologie

Brève présentation du domaine en trois parties : l’astérosismologie, le groupe Etoile, mon travail.

L’astérosismologie

L’astérosismologie sonde les étoiles. Les ondes qui s’y propagent et que l’on détecte en surface nous racontent ce qu’elles ont vu à l’intérieur et qui nous reste caché par les moyens classiques d’investigation. Les étoiles de faible masse présentent des spectres d’oscillation riches. Ces oscillations sont excitées juste sous la photosphère par le déferlement de la convection (Belkacem et al. 2011). Les étoiles évoluées ont un spectre encore enrichis par la présence de modes dit mixtes, qui résultent du couplage d’une onde de pression sondant principalement l’enveloppe stellaire avec une onde de gravité qui sonde le cœur radiatif : ces modes mixtes nous donnent un accès direct au cœur des étoiles évoluées.

Les grandes questions actuelles  auxquelles répond la sismologie renouvellent la physique stellaire :

  • estimer les âges des étoiles à mieux que 10% près, en alliant la précision des mesures sismiques  à une compréhension accrue de la physique stellaire,
  • caractériser les étoiles hébergeant des exoplanète,
  • sonder la Galaxie.

Le pôle Etoile du LESIA à l’Observatoire de Paris

Le pôle Etoile réunit des spécialistes de physique stellaire et de sismologie autour de projets d’envergure. Le regroupement de compétences diverses permet à l’équipe de porter ces projets, tant pour l’animation scientifique que le développement technologique : la mission CoRoT a été développée pour partie au labo, et nous sommes nombreux impliqués à titres divers dans le développement de la mission Plato de l’ESA.

Les travaux sur les géantes rouges, décrits ci-dessous, ont bénéficié de discussions incessantes autour d’un café ou de mets plus consistants. S’il faut noter un point saillant, c’est Marie-Jo Goupil qui a exhumé d’anciens travaux sur les modes mixtes qui nous ont permis de prendre un avantage qualitatif et quantitatif dans l’interprétation des spectres d’oscillation des géantes.

De nombreuses collaborations enrichissent le travail du groupe, comme le montrent les publications citées dans cette page.

Mon travail

Je ne suis arrivé en physique stellaire qu’après une double expérience de recherche : l’étude sismique des planètes géantes et l’instrumentation sismique. J’ai alors développé une expertise pour l’étude des spectres d’oscillations observé par les missions CoRoT et Kepler. Mon expérience en sismométrie par transformée de Fourier m’a permis de proposer une méthode simultanément simple et efficace pour détecter des oscillations de type solaire, à la base de tout le reste (de manière amusante, le référé de cet article était persuadé de l’inutilité du travail).

Mon champ d’activité s’est spécialisé dans l’étude sismique des géantes rouges. Mon travail s’appuie sur des méthodes inédites pour analyser les spectres d’oscillation :

  • Identification automatique de tous les modes du spectre de pression des géantes rouges.
  • Développement asymptotique du spectre des modes mixtes.
  • Développement asymptotique du rôle de la rotation sur les modes mixtes.
  • Description unifiée de tous les paramètres sismiques du spectre d’oscillation des géantes.

De ce qui précède, on peut conclure que les années 2011 et 2012 furent fécondes, mais je vous assure ne pas avoir glandouillé les autres années (il est non moins certain que le processus de recherche est tout sauf linéaire). Les travaux exposés ci-dessus m’ont permis d’établir de nombreux résultats qui irriguent tant la physique stellaire que la physique de la Galaxie. Je ne reprends ci-dessous que les plus marquants :

  • Différentiation des étoiles brûlant l’hydrogène en couche ou l’hélium du cœur, à la base de multiples études détaillées des géantes rouges.
  • Evolution conjointe des propriétés du cœur et de l’enveloppe des géantes rouges, avec une claire distinction des différents stades évolutifs depuis la séquence principale.
  • Signature de la seconde ionisation de l’hélium (travail de thèse de Mathieu Vrard).
  • Mesure de la rotation du cœur des géantes (travail de thèse de Charlotte Gehan), avec les éléments pour analyser en détail le transfert de moment cinétique entre le cœur et l’enveloppe au cours de l’évolution stellaire.
  • Analyse des propriétés d’ensemble des étoiles observées par CoRoT et Kepler.

L’aventure sismique des géantes rouges n’est de loin pas finie, avec des questions en suspens tels les modes dites déprimés, la possibilité de sonder le cœur avec de nouveaux outils, et bientôt l’analyse détaillée des spectres d’oscillation des géantes pour viser un objectif clef : la détermination des âges stellaires à 10 % près. S’intéresser aux géantes permet en fait de contraindre tous les stades évolutifs antérieurs.

Et depuis le temps qu’on en parle, voici un spectre d’oscillation de géante, détaillé de pied en cap

diagramme échelle

Identification du spectre d’oscillation, représentée sous la forme d’un diagramme échelle, d’une géante rouge observée par Kepler (Mosser et al. 2018)

 

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