Astrophysique stellaire
   Stellar Astrophysics





   Photosphère
   Modèle théorique
   Oscillations de la Terre
   Zones convectives
   Diagramme HR
   Diagramme HR des étoiles variables
   Dépassement convectif dans une étoile de type Scuti

   Remerciements

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Photosphère

      Pour comprendre l'Univers, il faut commencer par son constituant principal: les étoiles. Dés le début du XXe siècle, les scientifiques sont parvenus à analyser la lumière qui nous parvient des étoiles. Ils ont ainsi pu déterminer, avec une précision croissante, non seulement la composition chimique de la matière stellaire, mais aussi les conditions physiques (température et pression) des couches extérieures des étoiles.

      Cependant, la matière stellaire est tellement opaque que l'on ne peut voir qu'à travers une couche très mince enveloppant l'étoile et que l'on appelle la photosphère. Un des rêves des astrophysiciens est de pouvoir pénétrer à l'intérieur des étoiles, atteindre les couches profondes et comprendre ce qui s'y passe réellement.

Modèle théorique

      Pendant ce temps, la théorie de la structure interne et de l'évolution des étoiles faisait des progrès immenses et on a pu construire des modèles d'étoiles qui ont été comparés aux observations. Toutefois, les scientifiques en étaient réduits à comparer un modèle théorique complexe de l'étoile avec les seules observations disponibles, qui, elles, ne concernaient que sa surface. Cela revient à discuter de ce qui se trouve à l'intérieur d'une orange en n'en observant que la pelure. En fait, la seule manière de sonder les couches internes d'une étoile est l'astérosismologie.

      La manière la plus simple de comprendre le principe de l'astérosismologie est de faire référence aux instruments de musique. Considérons un violon. La musique qu'il produit, avec tous ses tons et ses harmoniques, est caractéristique de l'instrument lui-même. Même le violoniste le plus talentueux ne peut produire avec son instrument un son de flûte, ni même de violoncelle. Chaque instrument a ce qu'on appelle un système de fréquences propres qui sont comme le code génétique de cet instrument. Connaître ce code revient à identifier l'instrument.

Oscillations de la Terre

      Au début des années soixante, on a détecté de telles oscillations pour la Terre à la suite d'un violent tremblement de terre au Chili. A cette époque, la structure interne de la Terre était décrite à l'aide des modèles théoriques peu précis. Ces modèles furent utilisés pour calculer les fréquences propres de la Terre et la comparaison avec les mesures révéla plusieurs inexactitudes dans les modèles. Ceci constitua la première victoire de la sismologie.

      Au cours des années septante, il devient clair que le Soleil présentaient des oscillations de ce genre avec des périodes de vibrations voisines de cinq minutes. De gigantesques efforts ont été déployés afin d'identifier ces modes avec une précision remarquable, non seulement par des campagnes d'observations au sol mais aussi à l'aide de missions spatiales.

Zones convectives

      Les résultats sont réellement spectaculaires. Les modèles théoriques n'étaient pas corrects ! En premier lieu, l'abondance d'Helium était erronnée, ce qui impliquait qu'un phénomène physique, la diffusion, laissée de côté dans le calcul des modèles, devait être prise en compte. Ensuite, l'enveloppe convective était d'extension trop faible. Enfin, et c'est probablement l'aspect le plus important, une manière de décrire la rotation des couches internes pouvait être extraite des données héliosismiques. Et tout ceci, uniquement en observant le Soleil vibrer !

Diagramme HR

      Un grand nombre d'étoiles sont très différentes des étoiles de type solaire. A partir de leurs propriétés de surface, les astrophysiciens ont construit un diagramme, le diagramme de Hertzsprung-Russell ou encore le diagramme HR.


En ordonnées, on porte la luminosité, c'est-à-dire l'énergie totale rayonnée par l'étoile en une seconde tandis qu'en abscisse, la couleur, ou encore la température de surface de l'étoile est représentée. Le Soleil se trouve à l'intérieur d'une zone diagonale où se situent 80 % environ des étoiles. C'est la séquence principale. Des trajets théoriques d'évolution au cours du temps peuvent être tracés pour différentes valeurs de la masse et de la composition chimique. Comme dans le cas du Soleil, plusieur points d'interrogation théoriques subsistent au sujet des processus physiques intervenant dans les couches profondes des étoiles. Heureusement, la plupart des étoiles sont variables ! Elles montrent en effet des changements d'éclat plus ou moins réguliers au cours du temps.

Diagramme HR des étoiles variables

      Voici, dans un diagramme HR, la localisation des classes principales d'étoiles variables.


En fait, la majorité des étoiles appartiennent à l'une ou l'autre de ces catégories d'étoiles. Les oscillations de grande amplitude peuvent être détectées à partir d'observations au sol tandis que celles de petite amplitude requièrent des observations à bord de satellites. C'est ici qu'intervient l'asterosismologie. Détecter et identifier les fréquences d'oscillation d'étoiles différentes du Soleil sera équivalent à pénétrer dans leurs couches profondes et connaître ainsi des secrets que ni la théorie ni les observations classiques n'ont pu livrer jusqu'ici.

Dépassement convectif dans une étoiles de type Scuti

      Afin d'illustrer ce point, prenons l'exemple d'une étoile de type Scuti, similaire à certaines étoiles cibles de la mission spatiale COROT.


Cette figure est un diagramme HR où l'on a représenté la localisation de l'étoile GX Pegase, avec ses barres d'erreurs observationnelles. De plus, trois trajets d'évolution relatifs à une étoile de 2 M sont présentés pour différentes hypothèses concernant l'extension du coeur convectif, notées ici à l'aide du paramètre . Selon l'extension de ce coeur, la zone parfaitement mélangée est différente et la distribution de l'abondance d'hygrogène en fonction de la masse s'en ressent, comme on peut le voir sur cette figure où la quasi-discontinuité est associée à la limite de la zone mélangée.


Quel est le meilleur modèle théorique ? A partir de cette comparaison dans le diagramme HR, il est impossible de trancher. Chaque trajet traversant le rectangle d'erreur est acceptable.

      A présent, tournons-nous vers l'astérosismologie et calculons les fréquences d'oscillations de ces différents modèles. Voici ce que nous obtenons: les fréquences sont indiquées sur cette figure en fonction de la température de surface.


Des changemements notables surviennent dans la distribution des modes à des températures de surface différentes selon le trajet d'évolution choisi. Pour le trajet noir, ces changements apparaissent ici, alors que pour le trajet bleu, ils surviennent déjà pour une température de surface plus faible. Si COROT permet de connaître la distribution des modes, il sera tout-à-fait possible de cerner sans ambiguïté le meilleur trajet. En d'autres termes, COROT nous permettra de voir où se situe la limite du coeur de l'étoile.

Remerciements

      Nous tenons à remercier les SSTC pour leur soutien financier dans le cadre d'un contrat PRODEX.



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Pages Web:  Sandrine Sohy
Dernière modification: 18 décembre 2008.