Les télescopes de l'ESO, comme le VLT, permettent de démontrer l'existence de taches stellaires sur d'autres étoiles que le Soleil. Celles sur les astres appelés étoiles de la branche horizontale extrême sont gigantesques et sont le lieu d'éruptions qui surpassent infiniment celles du Soleil.
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Une équipe internationale d'astronomesastronomes de l'ESO, dirigée par Yazan Momany de l'Observatoire astronomique de Padoue de l'INAF, en Italie, vient de publier dans le célèbre journal Nature Astronomy un article dont on peut penser qu'il aurait retenu l'attention du regretté physicienphysicien solaire qu'était Jean-Claude Pecker.
En effet, les chercheurs annoncent que, grâce à des observations menées au long des années avec plusieurs instruments du Very Large TelescopeVery Large Telescope (VLT) de l'ESO, dont Vimos, Flames et FORS2 au Paranal ou encore avec l'Ultracam installée sur le New Technology Telescope de l'Observatoire de La Silla, également au Chili, ils ont obtenu un résultat qui aurait sans doute stupéfié GaliléeGalilée : la mise en évidence de l'équivalent des taches solaires sur des étoiles.
Des éruptions des millions de fois plus puissantes que sur le Soleil
Non seulement il ne s'agit pas de n'importe quelles étoiles mais les tailles des taches sont gigantesques, jusqu'à occuper un quart de la surface de ces étoiles, et elles peuvent être le lieu d'éruptions stellaires jusqu'à des millions de fois plus énergétique que celles associées aux taches solaires.
En l'occurrence, les astronomes ont étudié de plus près ce que l'on appelle des étoiles de la branche horizontale extrême (étoile EHB ou extreme horizontal branch star en anglais) et, dans le cas présent, elles se trouvent dans 3 amas globulaires. Il s'agit en général d'astres ayant environ la moitié de la masse du SoleilSoleil mais quatre à cinq fois plus chauds et qui occupent une place spéciale dans le fameux diagramme de Hertzsprung-Russelldiagramme de Hertzsprung-Russell. Ce sont de vieilles étoiles évoluées d'après la théorie de l'évolutionthéorie de l'évolution stellaire.
Les taches sur les étoiles de la branche horizontale extrême (à droite) semblent être très différentes des taches solaires sombres que l'on voit à la surface du Soleil (à gauche), mais toutes deux sont causées par des champs magnétiques. Les taches sur ces étoiles extrêmes sont plus brillantes et plus chaudes que la surface stellaire environnante, contrairement au Soleil où nous voyons des taches sombres sur la surface solaire qui sont plus froides que leur environnement. Les taches sur les étoiles de la branche horizontale extrême sont également beaucoup plus grandes que les taches solaires, couvrant jusqu'à un quart de la surface de l'étoile. Bien que la taille des taches solaires varie, une taille typique se situe autour d'une planète de la taille de la Terre, soit 3.000 fois plus petite qu'une tache géante sur une étoile à branche horizontale extrême. © ESO/L. Calçada, INAF-Padua/S. Zaggia
Elles ont commencé leur vie avec des masses comparables à celles du Soleil mais, en devenant des géantes rougesgéantes rouges, les instabilités qui conduisent à l'expulsion de ventsvents stellaires violents ont conduit à la perte de presque toutes les couches d'hydrogènehydrogène entourant le cœur de ces étoiles où se produisent encore des réactions thermonucléaires faisant brûler de l'héliumhélium. Près de 85 % de la masse de l'enveloppe d'hydrogène initiale peut ainsi avoir disparu, laissent presque voir un cœur d'hélium avec une température de surface d'environ 25.000 K. Ce qui veut dire que ces astres apparaissent comme des sources très lumineuses dans l'ultravioletultraviolet.
En fait, cela fait des décennies que les EHB font l'objet de l'attention des astrophysiciensastrophysiciens. Dans le communiqué de l'ESO accompagnant la publication de l'article dans Nature Astronomy, Yazan Momany précise à leur sujet que « ces étoiles chaudes et petites sont spéciales parce que nous savons qu'elles ne passeront pas par l'une des phases finales de la vie d'une étoile typique et qu'elles mourront prématurément. Dans notre GalaxieGalaxie, ces objets chauds particuliers sont généralement associés à la présence d'une étoile compagnon à proximité ».
Curieusement, ce n'était pas le cas des EHB étudiées par Momany et ses collègues. Par contre, les chercheurs ont mis en évidence des changements réguliers de luminositéluminosité sur des périodes allant de seulement quelques jours à plusieurs semaines. Comme l'explique toujours dans le communiqué de l'ESO, Simone Zaggia, coautrice de l'étude de l'Observatoire astronomique de Padoue de l'INAF, elle et ses collègues ont dû se rendre à l'évidence : « Après avoir éliminé tous les autres scénarios, il ne restait qu'une seule possibilité pour expliquer les variations de luminosité observées. Ces étoiles doivent être parsemées de taches ! ».
Des taches stellaires magnétiques géantes persistantes
Mais, pour un physicien solaire habitué à celles de notre étoile favorite, elles sont atypiques car, si elles sont également causées par des champs magnétiqueschamps magnétiques, elles sont plus chaudes et donc plus brillantes que dans les régions de la surface des EHB qui sont dépourvues de taches. Dans le cas du Soleil, les champs magnétiques inhibant localement la convectionconvection du plasma solaire, il est plus froid au niveau des taches, ce qui explique que, par contrastecontraste, elles apparaissent noires sur la surface solaire.
Autres différences, en plus d'être comparativement nettement plus grandes et plus chaudes que dans le cas du Soleil, les taches magnétiques géantes des EHB sont aussi apparemment nettement plus persistantes. Elles peuvent durer des décennies alors que leurs cousines solaires ne durent que de quelques jours à quelques mois. Surtout, comme l'explique le coauteur de l'étude, Henri Boffin -- un astronome du siège de l'ESO en Allemagne --, les taches sont le lieu de processus de reconnexions magnétiques encore plus énergétiques : « Elles sont similaires aux éruptions que nous voyons sur notre propre Soleil, mais dix millions de fois plus énergétiques. Un tel comportement n'était certainement pas attendu et souligne l'importance des champs magnétiques pour expliquer les propriétés de ces étoiles ».
Des astronomes utilisant les télescopes de l'ESO ont découvert des taches géantes à la surface d'étoiles extrêmement chaudes cachées dans des amas stellaires. Cette vidéo offre un résumé de cette découverte. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © European Southern Observatory (ESO)
De ces découvertes, un autre coauteur de l'article de Nature Astronomy, l'astronome David Jones, de l'Instituto de Astrofísica de Canarias, en Espagne, en tire la conclusion suivante :
« L'idée générale est que les changements de luminosité de toutes les étoiles chaudes - des jeunes étoiles semblables au Soleil aux vieilles étoiles de la branche horizontale extrême et aux naines blanchesnaines blanches mortes depuis longtemps - pourraient tous être liés. Ces objets peuvent donc être compris comme souffrant collectivement de taches magnétiques à leur surface » .
L'évolution d'une tache stellaire géante dévoilée en images
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 27/10/2015
L'étoile XX Trianguli, encore appelée XX Tri, est célèbre pour arborer une tache bien plus grande que le Soleil. Les astronomes ont réussi à l'imager et à suivre son évolution, créant un film retraçant six années de l'histoire de l'étoile.
Que de chemin parcouru en physiquephysique stellaire depuis que Galilée a découvert les taches solaires au début du XVIIe siècle. Nous sommes aujourd'hui en mesure de sonder l'intérieur des autres étoiles à l'aide de l'astérosismologie et d'interpréter les données obtenues dans le cadre de la théorie de la structure stellaire. Nous sommes également capables de détecter des taches stellaires. Un des plus célèbres exemples est celui de l'étoile variableétoile variable XX Trianguli (HD 12545) située, comme son nom l'indique, dans la constellationconstellation du Triangle. Déjà en 1999 elle avait fait sensation lors de l'annonce de la détection d'une immense tache solaire à sa surface.
Les astronomes du Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) ont entrepris de l'étudier de plus près quelques années plus tard avec les deux télescopestélescopes robotisés de 1,2 m baptisés STELLar Activity qui observent l'activité stellaire des étoiles froides à l'observatoire du Teide (Observatorio deldel Teide, en espagnol), un observatoire astronomique situé sur l'île de Tenerife (îles Canaries). L'étoile XX Tri a donc été observée à plusieurs reprises pendant six années, de 2006 à 2012, par les deux télescopes capables de faire de la spectrophotométriespectrophotométrie à haute résolutionrésolution. Les chercheurs ont récemment mis en ligne un article sur arXiv faisant le bilan de leurs travaux sur les taches stellaires de l'étoile et, surtout, une remarquable vidéo montrant l'évolution de ces taches.
Cette vidéo montre l'évolution des taches stellaires sur XX Trianguli entre 2006 et 2012. © The Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP)
Une tache stellaire dix fois plus grande que le Soleil
Les images n'ont pas été obtenues pas imagerie directe. Il a fallu traiter le signal par tomographietomographie Doppler (Doppler tomography, en anglais). Concernant les spectresspectres mesurés, il y en a eu 667 au total représentant 86 périodes de rotationpériodes de rotation de l'étoile qui tourne autour de son axe en 24 jours environ. Les images sont d'autant plus frappantes lorsque l'on sait que les dimensions de la tache stellaire principale sont d'environ 12 × 20 rayons solaires.
Cela fait longtemps que l'Homme sait mesurer le champ magnétique dans les atmosphères stellaires grâce à l'effet Zeeman mais observer et mesurer la croissance et la décroissance des tailles et du nombre de taches stellaires donne des renseignements sur l'intérieur des étoiles et sur leur machinerie magnétique. C'est d'ailleurs ce qui est fait avec le Soleil et l'étude de son activité et de l'atmosphère solaire via celle de son cycle de taches. On peut donc bien se servir de notre étoile comme banc d'essai pour les concepts utilisés pour étudier et comprendre les autres étoiles. Inversement, celles-ci nous fournissent un laboratoire naturel, où certains des paramètres clés gouvernant notre étoile sont changés, ce qui nous permet de mieux la comprendre.
Ce qu’il faut
retenir
- Les étoiles de la branche horizontale extrême occupent une place spéciale dans le fameux diagramme de Hertzsprung-Russell. Ce sont de vieilles étoiles qui ont commencé leur vie avec des masses comparables à celles du Soleil.
- En devenant des géantes rouges, les instabilités qui entraînent l’expulsion de vents stellaires violents ont conduit à la perte de presque toutes les couches d’hydrogène entourant leurs cœurs où se produisent encore des réactions thermonucléaires. Ces astres apparaissent comme des sources très lumineuses dans l’ultraviolet.
- On vient d'y mettre en évidence taches magnétiques géantes analogues à celles du Soleil mais pouvant occuper un quart de la surface de ces étoiles et pouvant être le lieu d’éruptions stellaires jusqu’à des millions de fois plus énergétiques que celles associées aux taches solaires.
