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Certaines étoiles variables oscillent comme le Soleil, selon Kepler

ActualitéClassé sous :Astronomie , Delta Scuti , HD 187547

Certaines étoiles voient leur luminosité varier de façon importante en raison d'un mécanisme lié à l'opacité de l'hélium ionisé. Les observations de Kepler prouvent que des variations bien plus faibles chez des étoiles variables de type δ Scuti s'expliquent de la même manière que pour le Soleil : à l'aide d'une couche convective.

Sur la gauche, on voit la structure interne du Soleil avec son cœur (core en anglais) où l'hydrogène brûle pour donner de l'hélium. L'essentiel du Soleil est dominé par la zone radiative (jaune), celle où le transfert de chaleur se fait par rayonnement. En surface, on voit la zone convective, où c'est la convection dans un fluide (comme dans l'eau d'une casserole qui bout) qui assure ce transfert. Sur la partie droite de ce schéma, on voit une géante rouge beaucoup plus grande que le Soleil (échelle en bas à droite), dominée par la convection. Elle brûle son hydrogène autour de son cœur en hélium. © ESO

L'Écu de Sobieski est une petite constellation située juste à l'est de la Queue du Serpent. On y trouve une étoile variable particulière, δ Scuti, située à 130 années-lumière. C'est le prototype d'un type d'étoiles variables, de type δ Scuti, qui sont soumises à de petites pulsations sur plusieurs périodes de quelques heures. Ainsi δ Scuti, étoile géante, passe de la magnitude 4,60 à la magnitude 4,70 suivant deux pulsations principales de 4,65 et 4,48 heures, sur lesquelles s'ajoutent de plus petites pulsations de 2,79 ; 2,28 ; 2,89 heures. Elle est 2,2 à 2,4 fois plus massive que le Soleil et tourne sur elle-même quinze fois plus vite que lui.

Le mécanisme principal expliquant le comportement des étoiles variables, particulièrement celui des céphéides, a été découvert au début du siècle dernier par le grand astrophysicien Arthur Eddington. Lorsque la température des couches supérieures d'une étoile augmente, les atomes d'hélium s'ionisent en plus grand nombre, ce qui augmente l'opacité de ces couches. La pression du rayonnement devient plus importante et l'étoile gonfle. La température baissant à cause de la dilatation du gaz, des atomes d'hélium se forment à nouveau, ce qui fait baisser l'opacité et donc la pression du rayonnement. L'étoile se contracte et un nouveau cycle d'oscillations peut débuter. Ce mécanisme, qui fait penser à celui d'un moteur de voiture, ou à l'oscillation d'une masse au bout d'un ressort, a été nommé « mécanisme kappa » en référence à la constante kappa du ressort. C'est lui qui cause la variation de luminosité de l'étoile.


Dans cette vidéo de la multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine, l'astrophysicienne Annie Baglin raconte l'évolution des techniques d'observation du Soleil avec finalement l'apparition de l'héliosismologie. © Groupe ECP, www.dubigbangauvivant.com/Youtube

Notre Soleil peut lui aussi, d'une certaine façon, être considéré comme une étoile variable en raison de faibles variations périodiques de sa luminosité. Bien moins importantes que dans les céphéides, ces variations sont expliquées par la propagation d'ondes à l'intérieur du Soleil, faisant vibrer et osciller sa surface à la façon des ondes sismiques sur Terre. Une partie de ces ondes est produite par les mouvements convectifs présents dans 30 % du Soleil, dans ses couches supérieures. Plus en profondeur, c'est un mécanisme de transport radiatif qui dissipe l'énergie générée dans le cœur par les réactions thermonucléaires. On peut ainsi utiliser l'astérosismologie pour étudier la structure interne du Soleil, comme la sismologie terrestre révèle celle de notre planète.

Une couche convective bien réelle pour les δ Scuti

Comme nous l'a appris la théorie de la structure stellaire, développée par des astrophysiciens comme Eddington et Chandrasekhar, en fonction de la masse d'une étoile et de son évolution, la part de la zone convective et celle de la zone radiative ne sont pas les mêmes. Ainsi, pour des étoiles qui sont justement de type δ Scuti, seulement 1 % de l'étoile correspond à une zone convective. On s'attendait donc à ce que de petites variations de la luminosité de l'étoile ne soient pas dues au mécanisme kappa mais à des oscillations provoquées par ces mouvements convectifs, comme pour le Soleil.

Les chercheurs ont observé avec Kepler (qui ne sert pas qu'à découvrir des exoplanètes) une étoile de type δ Scuti. Son nom est HD 187547 en référence au catalogue Henry Draper (HD), un catalogue astronomique regroupant des données astrométriques et photométriques sur plus de 225.000 étoiles, nommé en l'honneur de Henry Draper (sa veuve avait financé la réalisation). Les étoiles contenues dans ce catalogue (qui couvre la totalité du ciel) sont de magnitudes allant jusqu'à 9 ou 10, ce qui en fait des étoiles moyennes pour un télescope amateur et des étoiles brillantes dans un instrument professionnel. 

Comme les astrophysiciens l'expliquent dans un article publié dans Nature (donné en lien ci-dessous), ils ont finalement réussi à observer les oscillations de type solaire générées par la faible couche convective de l'étoile. C'est une confirmation de plus de la validité de la théorie de la structure stellaire.

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