01 mars 2010
Tremblements stellaires
Premiers résultats astérosismologiques du satellite KEPLER

La mission spatiale étasunienne KEPLER, lancée en Mars 2009 pour la recherche d'exoplanètes, vient de livrer ses premiers résultats sur les vibrations d'étoiles. Plusieurs équipes internationales de chercheurs, incluant des membres du Service d'Astrophysique (CEA-Irfu) ont ainsi montré grâce à ces premières données que les tremblements stellaires permettaient non seulement de sonder l'intérieur des étoiles mais aussi de determiner leur âge et de savoir si les étoiles appartenaient ou non à des formations en amas.  Ces résultats font l'objet de quatre articles publiés dans un numero spécial de la revue Astrophysical Journal Letters consacré à la mission Kepler

 

Kepler : à la recherche des super-Terres

Le Laboratoire Dynamique des Etoiles et de leur Environnement (LDEE) du Service d'Astrophysique (CEA-Irfu) participe  actuellement, au sein d'équipes internationales, à l’exploitation des premières données astérosismologiques de la mission spatiale KEPLER lancée le 7 mars 2009 par la NASA. L'asterosismologie est l'étude des vibrations d'étoiles analogues à celles qui sont présentes dans le Soleil. Elles se traduisent par de faibles mouvements à la surface des étoiles, accompagnés d'infimes variations de luminosité. L’objectif principal du satellite KEPLER est de détecter des planètes telluriques telles que notre Terre autour d’autres étoiles. Pour cela, il mesure en permanence avec une grande précision la luminosité des étoiles dans l'espoir de découvrir des diminutions périodiques, traces d'une "mini-eclipse" lorsque une planète passe devant son étoile. Cette surveillance permanente des variations de luminosité est exactement l'objectif que poursuivent aussi les "asterosismologues" pour étudier les vibrations d'étoiles. Le satellite KEPLER est donc devenu aussi un observatoire privilégié des étoiles. Ceci est rendu possible par les caractéristiques de l’instrument constitué d’un télescope d'un mètre de diamètre disposant d'une caméra de 42 détecteurs numériques avec un total de 95 millions d'éléments d'images (pixels).

 

Représentation de la Voie lactée et de la position du Soleil avec la direction d’observation du satellite KEPLER.

 Image des constellations du Cygne et de la Lyre avec le champ de vue de KEPLER (représentation des 42 CCD).
 

Pour tenter de découvrir des planètes, KEPLER vise dans une seule direction le même champ de vue situé entre la constellation du Cygne et de la Lyre pendant plus de trois ans. Les premières données ont déjà révélées 5 nouvelles planètes dont une avec un rayon de seulement 3,8 fois le rayon terrestre.

Pulsations d'étoiles

Dans le cas de la découverte de nouvelles planètes, la connaissance des étoiles au centre de ces systèmes planétaires est primordiale notamment pour caractériser leur âge. L’astérosismologie, autrement dit la sismologie des étoiles, permet alors d’effectuer cette datation ainsi que de déterminer la masse et le rayon des étoiles de façon plus précise qu’avec les méthodes classiques comme cela a déjà été effectué dans le cadre du satellite CoRoT. De plus, l‘astérosismologie est la seule méthode permettant aux astrophysiciens de sonder les couches internes des étoiles et d’en déduire des informations sur la structure et la dynamique interne des étoiles.

 
Tremblements stellaires

Vibrations de trois étoiles similaires au Soleil. Les vibrations sont représentées par des pics (en gris) correspondant à leurs fréquences dont le détail est présenté dans le cartouche. L'étoile du bas présente un pic décalé vers les plus basses fréquences révélant un stade d'évolution différent.

Les premiers mois de données ont permis l'étude des pulsations de trois étoiles du même type que le Soleil (de type spectral G). Pour la première fois, les pulsations sont détectées pour des étoiles à plus d'une dizaine d'annés-lumière, avec une précision équivalente à celle obtenue sur le Soleil. Autour de vibrations allant de 7 à 18 minutes, chaque étoile montre une vingtaine de modes d’oscillations. Ceci permet d’effectuer des modélisations très précises de ces étoiles et d’y tester les hypothèses utilisées dans l’étude de l’évolution des étoiles. Ainsi, une des étoiles présente une vibration beaucoup lus longue, autour de 18 minutes, et des irrégularité dans le spectre de ses différents modes avec des modes de vibrations mixtes (de caractère acoustique et de gravité), signatures d’un stade d’évolution plus avancé que les deux autres.

 

Certaines vibrations permettent aussi de sonder l'intérieur des étoiles, un domaine où KEPLER se montre aussi très prometteur. Les analyses préliminaires des données concernant des étoiles particulières, dites de type γ-Dor et δ Scuti (du nom de l'étoile prototype), montrent que KEPLER permet de mesurer les variations de luminosité de modes de faibles amplitudes de différents types (modes de pression et de gravité) qui sont totalement impossible à observer depuis la Terre, notamment à cause du "brouillage" de l'atmosphère. La connaissance de chaque type de mode va maintenant permettre de sonder les régions dans lesquels ils se propagent pour donner une image de la structure interne de ces étoiles, depuis leur coeur jusqu’à leur surface.
La mission KEPLER va permettre d'observer environ 2000 étoiles avec autant de détails, permettant pour la première fois une classification beaucoup plus détaillée des étoiles et un sondage précis de leur intérieur qui n'était pour l'instant  accessible que pour le Soleil.

 
Tremblements stellaires

Fréquences des vibrations pour un groupe d'étoiles de l'amas NGC 6819 classées par ordre de luminosité apparente. La position des modes d'oscillation prévus est indiquée par les lignes pointillées verticales. Pour les étoiles #3 et #8, les flèches rouges indiquent la position attendue des modes d'oscillation dans le cas où l'étoile appartiendrait à l'amas. Le désaccord visible indique que, très probablement les étoiles ne se trouvent pas à la distance de l'amas mais en avant ou en arrière de l'amas.

Trier les étoiles

Les données de KEPLER ont aussi permis d’étudier les amas stellaires où les étoiles ont un âge et une composition chimique initiale communs car elles sont toutes nées d'un même nuage de gaz. L'analyse de l'amas NGC 6819, situé à environ 7200 années-lumière de la Terre dans la constellation du Cygne, a permis de détecter les pulsations d’étoiles géantes rouges à différentes étapes de leur évolution. Les géantes rouges sont des étoiles plus avancées que le Soleil dans leur évolution. Grâce à la précision des mesures, les chercheurs ont pu déterminer que deux étoiles qui étaient considérées jusqu'içi comme appartenant à l'amas, étaient en fait à l'extérieur, situées en avant ou en arrière de l'amas. Grâce à la sismologie, c'est ainsi une toute nouvelle procédure pour déterminer l’appartenance ou non des étoiles à l’amas et plus généralement les distances qui est donc maintenant disponible.

 

Contact :  et

 

Publications :

« Solar-like oscillations in low-luminosity red giants: first results from Kepler»
 Bedding et al., ApJ Letters (2010), pour une version électronique arXiv:1001.0229
« The asteroseismic potential of Kepler: first results for solar-type stars»
Chaplin et al., ApJ Letters (2010), pour une version électronique arXiv:1001.0506
« Hybrid gamma Doradus - delta Scuti pulsators: New insights into the physics of the oscillations from Kepler observations»
Grigahcene et al., ApJ Letters (2010), pour une version électronique arXiv:1001.0747
« Solar-like oscillations in low-luminosity red giants: first results from Kepler, 2010»
Stello et al., ApJ Letters (2010), pour une version électronique arXiv:1001.0026

 

Notes :

[1] Etoiles  δ Scuti (delta Scuti) : étoiles pulsantes « sous géantes » de 1.5 à 2.5 masses solaires qui brûlent l'hydrogène dans leur cœur ou dans une épaisse couche autour du cœur (la célèbre Altaïr en est une).
Etoiles γ-Dor (gamma Doradus) : étoiles pulsantes de 1 à 2 masses solaires très peu connues découvertes en 1999. Leurs oscillations (entre 0.5 à 3 jours) laissent supposer l'existence de modes de gravité, dont l'origine n'est pas encore comprise.

 


Rédaction : Stéphane Mathis, Rafael Garcia, Jean-Marc Bonnet-Bidaud

 

Maj : 03/05/2010 (2745)

 

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