La mesure de la gravité de surface des étoiles
La mesure de la gravité de surface des étoiles

Figure 1: Gravité de surface en échelle logarithmique (log g) des étoiles mesurées par le satellite Kepler en fonction du temps caractéristique de la fonction d’autocorrélation. Les étoiles en bas à gauche dont le rayon est inférieur à 3Rsun sont similaires au Soleil et brûlent leur hydrogène en leur cœur (étoiles en « séquence principale »). Au-delà, les étoiles sont plus évoluées et l’hydrogène nucléaire est épuisé. Ce sont des sous-géantes et géantes rouges.

Dans le journal Science Advances du 1er Janvier 2016, des astronomes du Service d’Astrophysique (SAp) du CEA-Saclay, des Universités de Vienne, Colombie-Britannique, et Sydney ainsi que de l’Institut Max-Planck, ont présenté une nouvelle méthode pour mesurer la gravité superficielle d'une étoile (qui dépend de sa masse et de son diamètre) avec une exactitude de quelques pour cent. De plus, cette méthode est applicable à des étoiles de faible luminosité pour lesquelles les instruments actuels n’ont pas la sensibilité suffisante pour faire des études sismiques.

 

Comment donc mesurer la gravité d'une étoile que l’on observe comme  un petit point sur le ciel? La technique du temps caractéristique de l’autocorrélation qui vient d’être développée, utilise les variations subtiles de la luminosité des étoiles enregistrées par les satellites Kepler ou CoRoT. Ces variations de luminosité sont causées par les mouvements turbulents du gaz dans les couches les plus externes des étoiles comme le Soleil. En effet, dans ces étoiles, la chaleur qui se propage depuis les régions les plus internes où les réactions nucléaires ont lieu, est transférée par des mouvements turbulents convectifs causés par des différences de température. C’est le même phénomène qui peut être observé lorsqu’on chauffe une casserole remplie d’eau. « Dans ce cas, l'eau du fond, qui est chauffée par dessous, est  chaude et moins dense, donc plus « légère » que l'eau du dessus. Elle monte jusqu'à la surface de la casserole, où elle se refroidit à cause de l'air. Celle-ci redescend alors vers le fond et le cycle recommence », dit Rafael García, astrophysicien au SAp. Au cours de cette circulation, des ondes sonores sont également générées. Ces mouvements ascendants et descendants que l’on nomme convection vont dépendre de la quantité de chaleur à transporter ainsi que de la force de gravité de surface de l’étoile qui tend à empêcher le gaz de monter. En mesurant les variations de la lumière de l’étoile au cours du temps, nous pouvons mesurer les fluctuations générées par ces cycles convectifs ainsi que  les ondes sonores associées. Le temps caractéristique de ces cycles peut ensuite être relié à la gravité de surface de l’étoile (voir Figure 1).

 

De plus, « Si on ne connaît pas les propriétés fondamentales de l'étoile, on n’aura aucune information sur celles de la planète qui orbite autour », ajoute Rafael García. Par exemple, la taille d'une exo planète est mesurée par la méthode des transites à partir de la taille de son étoile hôte. « Si vous trouvez une planète autour d'une étoile que vous pensez être semblable au Soleil, vous allez chercher à déterminer qu’il s’agit d’une planète de type terrestre dans la zone d’habitabilité de l’étoile ».  Mais si en réalité l’étoile hôte est une étoile géante (avec une gravité de surface plus petite, voir Figure 1), la planète sera beaucoup plus grande que la Terre et elle n’orbitera plus dans la zone d’habitabilité. C’est donc très important de pouvoir bien caractériser les propriétés de ces étoiles pour mieux déterminer les propriétés des exo planètes. Cette méthode va jouer un rôle important dans le cadre des futures missions spatiales pour la recherche et la caractérisation des exo planètes telle que la mission américaine de la NASA « Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) » ou de la mission M3 de l’ESA « PLAnetary Transits & Oscillations of stars (PLATO)».

 

Lien Science Advances: http://advances.sciencemag.org/content/2/1/e1500654

Contact au CEA/SAp :

 

Maj : 31/01/2017 (3707)

 

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