Une vue d'artiste de Kepler chassant les exoplanètes. © Nasa, JPL Caltech
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Des séismes stellaires remettent en cause la gyrochronologie des étoiles

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[EN VIDÉO] La vie et la mort d'une étoile et de ses planètes  Cette vidéo avec des animations retrace les grandes étapes de la naissance et de la vie d’une étoile similaire au Soleil, entourée d’un cortège planétaire jusqu’à sa mort, en reprenant justement le cas du Système solaire. On peut distinguer sept étapes déjà parcourues ou qui restent à parcourir dans son cas, comme le montrent les images de synthèse avec des commentaires en anglais. 

Dater les étoiles est un outil important pour comprendre l'évolution chimique et physique des galaxies et mieux comprendre le monde des exoplanètes. Une loi reliant la vitesse de rotation des étoiles et leur âge avait été trouvée mais une étude menée avec les données du satellite Kepler vient de la remettre en question. Cela questionne les théories expliquant le freinage de la rotation de ces étoiles.

Une équipe internationale d'astrophysiciens incluant des membres du Département d'astrophysique (DAp) du CEA/Irfu, travaillant en particulier au Laboratoire dynamique des étoiles, des (exo)planètes et de leur environnement (LDE3) vient de publier un article intéressant dans le prestigieux journal Nature Astronomy. On peut le consulter en accès libre sur arXiv et constater que les chercheurs y confirment un résultat que certains d'entre eux avaient déjà annoncé en 2016, à savoir que les étoiles plus vieilles que le Soleil ne se comportent pas en accord avec une loi dite de gyrochronologie reliant les vitesses de rotation sur elle-même des étoiles avec leurs âges. Elles diminuent moins rapidement que prévu par cette loi, ce qui conduit les théoriciens à remettre en question la pertinence des théories dites du freinage magnétique qu'ils utilisaient pour la comprendre.

Pour arriver à ce résultat, il a fallu combiner les données astérosismologiques fournies par le défunt satellite Kepler, grand chasseur d'exoplanètes, avec des techniques d'analyses issues du machine learning et des simulations numériques savantes et physiquement subtiles. Mais pour mieux comprendre de quoi il en retourne, il nous faut déjà comprendre ce qu'est l'astérosismologie.

Qu’appelle-t-on le rire des étoiles ? Observer les étoiles dans différentes longueurs d’onde ne suffit pas à connaître ce qui les constitue. Les variations de lumière observées à leur surface sont associées à des ondes sonores qui se propagent à l’intérieur et les font vibrer. En retranscrivant ces vibrations de lumière, les chercheurs spécialistes de l’astérosismologie peuvent comprendre ce qui se passe au cœur des étoiles, en déduire leur vitesse de rotation, leur durée de vie… Alors, si vous êtes prêt à entendre rire le Soleil, lancez cet épisode ! © CEA Recherche

Sismologie stellaire

Cette discipline récente de l'astrophysique a pris son essor depuis quelques décennies en prenant appui sur l'expérience acquise avec l'héliosismologie. Avec cette dernière, les astrophysiciens avaient entrepris de percer les secrets du Soleil en jouant à un jeu comparable à celui de leurs collègues géophysiciens sur Terre : la résolution de problèmes inverses avec les mesures du champ de gravité, du champ magnétique et... des ondes sismiques.

L'idée commune est simple à comprendre. Elle équivaut à reconstituer la taille, la forme et la composition d'un instrument de musique en analysant de plus en plus précisément, et complètement, l'ensemble des fréquences et amplitudes contenues dans les sons que cet instrument peut émettre. La technique est particulièrement efficace avec les séismes qui se produisent sur Terre, mais elle est évidemment plus délicate à mettre en œuvre dans le cas du Soleil.

Rappelons que le Soleil évacue par convection dans ses couches supérieures la gigantesque quantité d'énergie produite en son centre. Dans ces couches, se produit donc un bouillonnement similaire à celui d'une casserole d'eau chauffée par le fond. Cela génère des ondes sonores qui parcourent en permanence le Soleil qui joue alors le rôle de caisse de résonance, comme pour un instrument de musique.

Ce schéma montre les différentes couches de l'atmosphère et de l'intérieur du Soleil. Les ondes acoustiques (p-modes, en anglais sur le schéma) peuvent se propager dans tout le Soleil mais elles prennent naissance, et se trouvent surtout, dans la zone convective (Convection zone) et ses mouvements turbulents. Les ondes de gravité (g-modes) sont confinées pour l'essentiel dans la zone radiative (Radiative zone) et le cœur du Soleil (Core). Les ondes de gravité ont été fermement observées et mesurées indirectement par l'effet de modulation qu'elles produisent sur le temps de parcours mis par les ondes acoustiques pour effectuer l’aller-retour le long du diamètre solaire en passant par son centre (environ quatre heures sept minutes). © CEA

Précisons un peu et pour cela rappelons également que le Soleil possède une structure que l'on peut diviser en deux et qui correspond à deux modes de transfert de la chaleur dans la fournaise solaire. Il y a :

  • une zone dite « radiative », qui occupe environ 70 % du rayon du Soleil depuis son centre ;
  • une zone dite « convective », qui enveloppe la première.

Les ondes de gravité (à ne pas confondre avec les ondes gravitationnelles qui sont des vibrations de l'espace-temps) se propagent essentiellement dans la zone radiative alors que les ondes acoustiques se propagent dans les deux zones du Soleil.

Comme leur nom l'indique, les ondes de gravité correspondent à des mouvements de la matière qui oscille en reprenant sa position d'équilibre sous l'effet de la force de gravité (via la poussée d'Archimède), alors que pour les ondes acoustiques, la force de rappel est la pression. Les ondes acoustiques sont de mieux en mieux mesurées et étudiées depuis quelques décennies, mais les progrès sont plus lents en ce qui concerne les ondes de gravité.

Ces ondes émises dans le Soleil (on parle de modes propres, fréquences propres ou de résonance pour les caractériser)  permettent donc de déduire les paramètres physiques à l'intérieur du Soleil, comme la température, la densité, etc.

Pour comprendre comment, il faut réaliser que lorsqu'une partie de ces ondes atteint la surface solaire, elles y provoquent d'infimes oscillations de sa courbe de luminosité, mais aussi des décalages spectraux produits par l'effet Doppler, provenant de la matière à la surface du Soleil qui vibre comme la membrane d'un tambour.

Ce qui vaut pour le Soleil vaut aussi pour les étoiles. De sorte que des oscillations très faibles de l'intensité lumineuse des étoiles, que pouvaient mesurer les satellites Kepler et Corot, qui ne servaient pas qu'à partir à la chasse aux exoplanètes en épiant leurs transits, permettent donc de faire de l'astérosismologie.

Pour en savoir un peu plus sur le sujet et après avoir regardé les vidéos du CEA sur ce sujet avec Lisa Bugnet, vous pouvez consulter également le site de Sylvain Breton :  Soleils chanteurs.

Lisa Bugnet figure parmi les 35 jeunes chercheuses lauréates des bourses L’Oréal-Unesco Pour les Femmes et la Science en 2019. Astérosismologue au Laboratoire dynamique des étoiles, des (exo)planètes et de leur environnement de l'Irfu (CEA), elle utilise les ondes sismiques émises par les étoiles pour sonder leur cœur et comprendre leur évolution depuis leur naissance jusqu’à leur fin de vie. © CEA Sciences

Des étoiles magnétiquement freinées

Nous voilà maintenant armés pour comprendre le résultat publié dans Nature Astronomy.

Il se trouve que le comportement de la matière, ses mouvements et les ondes qui s'y propagent, va bien sûr être affecté par les forces centrifuges et de Coriolis dues à la rotation des étoiles. On peut le comprendre déjà en prenant conscience que la forme d'équilibre du fluide stellaire ne sera pas la même selon que ces astres sont ou non en rotation. De sorte que tout comme un instrument de musique déformé ne produira pas le même son qu'avant sa déformation, le spectre des ondes sonores mesurées en étudiant les variations de luminosité (ou de décalage spectral) en sera affecté.

Les astrophysiciens ont donc poussé un cran plus loin leurs analyses en consultant les archives collectées avec le satellite Kepler et concernant les courbes de lumière de 91 étoiles dont les âges déterminés via certaines méthodes sont compris entre 1 à 13 milliards d'années. Ils ont alors pu confirmer que la loi gyrochronologique établie avec des étoiles plus jeunes que le Soleil dans des amas stellaires ne fonctionnait plus avec les étoiles plus vieilles. Leur rotation ralentit moins que prévu au cours du temps.

C'est une donnée intéressante. En effet, les étoiles héritent au départ leur rotation de celle des nuages interstellaires dans lesquels elles naissent par effondrement gravitationnel. La conservation du moment cinétique implique par exemple que le tout jeune Soleil devait tourner rapidement sur lui-même, plus que de nos jours.

On explique cette différence déjà par des processus de freinage magnétique primitif produit par le champ magnétique du Soleil en interaction magnétique avec son disque d'accrétion et via également les jets de matière que des processus magnétohydrodynamiques généraient aussi et qui emportaient du moment cinétique.

Au cours des derniers milliards d'années, un freinage magnétique s'est poursuivi également en raison des émissions de vents solaires de notre étoile. On s'attendait à ce que le même type de freinage s'applique à toutes les étoiles et visiblement ce n'est pas le cas dès qu'elles dépassent l'âge du Soleil. On peut donc s'attendre d'ailleurs à ce que lui-même ne se comporte plus selon la loi établie avec les jeunes étoiles.

La loi gyrochronologique nouvellement établie sera précieuse pour tirer tous les enseignements possibles à partir de la détermination des âges des étoiles qu'observera la mission Plato (pour PLAnetary Transits and Oscillations of stars) de l'ESA actuellement en préparation. On s'attend à ce qu'elle soit lancée dans quelques années et elle devrait permettre la découverte d'un millier d'exoplanètes telluriques semblables à la Terre parmi lesquelles une centaine seront dans la zone d'habitabilité de leur étoile.

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