Astrophysique : les astronomes visent le coeur des géantes rouges

Une équipe internationale incluant des chercheurs du LESIA (1) (Observatoire de Paris, CNRS, Université Pierre et Marie Curie, Université Paris Diderot), de l’AIM (2) (CEA-Irfu (3), CNRS, Université Paris Diderot) et de l’IAS (4) (CNRS, Université Paris-Sud 11) vient de réussir à mesurer des oscillations qui sondent directement le cœur des géantes rouges. Avec les données des satellites Kepler de la Nasa et CoRoT du CNES, les astrophysiciens accèdent aujourd’hui directement au cœur de ces étoiles, un domaine jusqu’ici opaque aux diverses analyses. Les chercheurs ont utilisé la sismologie stellaire, qui consiste à analyser les très faibles variations de luminosité d’une étoile, qui traduisent les oscillations de sa structure. Ils ont pu distinguer où se situent les réactions de fusion nucléaire, selon les cas au cœur même de l’étoile ou dans des couches plus externes : une découverte majeure pour la compréhension des étoiles géantes rouges, car jusqu’ici rien ne permettait aux astronomes d’isoler ces deux étapes particulières de la vie d’une étoile. Les résultats sont publiés dans la revue Nature du 31 mars 2011.

Les géantes rouges représentent un stade avancé de l’évolution d’une étoile. Au bout de plusieurs milliards d’années d’existence d’une étoile telle que le Soleil, lorsque l’hydrogène a été totalement brûlé au centre, les réactions nucléaires de fusion se déplacent vers les couches plus extérieures. L’étoile enfle, devient géante et rouge car l’enveloppe stellaire se refroidit en se dilatant. En même temps, les régions centrales privées de source d’énergie se contractent. Lorsque le cœur de l’étoile devient suffisamment dense, l’hélium qu’il contient peut à son tour entrer en fusion. Jusqu’ici aucun moyen ne permettait de distinguer ces deux étapes très différentes de la vie d’une étoile car, de l’extérieur, elles ne montrent pas de différence notable.

C’est en utilisant les données obtenues sur des milliers de géantes rouges pendant de longs mois que les scientifiques ont finalement percé le secret de l’âge des géantes rouges. En passant au crible les différentes variations périodiques de la lumière des étoiles, ils ont pu distinguer celles qui concernent essentiellement les couches externes (les ondes acoustiques) de celles qui sondent directement le cœur de l’étoile (les ondes de gravité). Ils ont bénéficié du couplage des deux types d’ondes, qui permet de rapporter à la surface l’information du cœur de l’étoile. Dans le Soleil, ce couplage d’une oscillation acoustique à une oscillation de gravité est beaucoup moins efficace, et c’est pourquoi la détection des modes de gravité solaire est extrêmement difficile.

Les précédents acquis de la sismologie stellaire exploitaient déjà la finesse d’analyse des satellites Kepler et CoRoT. Cette découverte bénéficie en plus de la très longue durée d’observation que seul l’espace permet, nécessaire pour distinguer des écarts en fréquence d’oscillation très petits. Ces petits écarts en fréquence mesurent directement les propriétés des différents types d’oscillation et permettent de distinguer les deux groupes de géantes rouges (Fig. 1). Pour une même période caractéristique des ondes acoustiques, c’est-à-dire pour une même structuration des couches externes, et donc un même aspect (luminosité, température effective) vu depuis la Terre, une étoile qui brûle l’hélium de son cœur présente une période caractéristique des modes gravité bien plus grande.

La sismologie stellaire est devenue une spécialité européenne, notamment grâce aux progrès réalisés à l’aide de l’instrument GOLF à bord du satellite européen SOHO – qui n’observe que le Soleil – et à l’utilisation du satellite européen CoRoT, en orbite depuis fin 2006. Le satellite Kepler, lancé en mars 2009, n’était pas prévu spécifiquement pour la sismologie des étoiles mais plutôt pour la recherche de planètes extrasolaires. Fort des compétences acquises, un consortium européen regroupant près de 440 chercheurs a eu l’idée de proposer à la NASA l’utilisation de Kepler pour ces études sismiques qui révolutionnent la connaissance des étoiles. Les mesures effectuées par le satellite CoRoT, sur d’autres champs stellaires, complètent la vision apportée par Kepler et permettent d’étudier les propriétés d’autres régions de la Voie Lactée.

Fig 1: Représentation de la période P (en s) des modes de gravité en fonction de la période Dnu des modes de pression, pour plus de 500 géantes rouges observées par Kepler. Les 2 régions du diagramme correspondent aux 2 états d'évolution des géantes : celles brûlant l'hélium présentent une plus forte période P. La couleur code l'estimation de la masse d'une géante. © CNRS

Le financement de la mission Kepler est fourni par le département des missions scientifiques de la NASA. Les auteurs remercient les équipes techniques et scientifiques de Kepler.

Notes :

(1) LESIA : Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique.
(2) AIM : Astrophysique, Instrumentation et Modélisation, de Paris-Saclay.
(3) Irfu : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers.
(4) IAS : Institut d’astrophysique spatiale, Orsay.

Références :

“Gravity modes as a way to distinguish between hydrogen- and helium-burning red giant stars”
T.R. Bedding, B. Mosser, D. Huber, J. Montalban, P. Beck, J. Christensen-Dalsgaard, Y.P. Elsworth, Rafael A. Garcia, A. Miglio, D. Stello, T.R. White, J. De Ridder, S. Hekker, C. Aerts, C. Barban, K. Belkacem, A.M. Broomhall, T.M. Brown, D.L. Buzasi, F. Carrier, W.J. Chaplin, M.P. Di Mauro, M.A. Dupret, S. Frandsen, R.L. Gilliland, M.J. Goupil, J.M. Jenkins, T. Kallinger, S. Kawaler, H. Kjeldsen, S. Mathur, A. Noels, V. Silva Aguirre & P. Ventura. dans la revue Nature du 31 mars 2011.

Source: communiqué de presse du CNRS