L'’évolution des étoiles et leur influence sur les planètes
Stéphane Mathis (SAp)

Avec les lancements des missions spatiales CoRoT (le 27 décembre 2006), puis Kepler (le 7 mars 2009), auxquelles les équipes du Service d’Astrophysique (SAp) du CEA/Irfu participent activement pour l’exploitation scientifique avec leurs partenaires nationaux et internationaux12, la physique des étoiles et de leur environnement a franchi un pas important grâce à la sismologie. En effet, comme dans le cas de la sismologie terrestre, la sismologie stellaire, autrement dit l’étude des vibrations des étoiles, est la seule technique permettant de caractériser de manière directe leurs propriétés internes et d’en déduire l’âge, la masse, le rayon, le stade évolutif, la rotation et l’activité magnétique des étoiles considérées. Cette exploration spatiale s’accompagne aussi de l’utilisation  d’autres  techniques  telles  que  la  spectropolarimétrie,  la  spectrométrie  et l’interférométrie aux foyers des grands télescopes au sol. Ces techniques permettent d’étudier la distribution du champ magnétique, les caractéristiques chimiques de surface et la forme des étoiles, manifestations de leur dynamique interne. Cette nouvelle vision des étoiles donne aujourd’hui la possibilité à la communauté astrophysique de mieux comprendre la multitude des nouveaux systèmes planétaires récemment découverts par CoRoT et Kepler, car leurs propriétés sont gouvernées par des interactions avec leur étoile, similaires aux effets de marées bien connus sur Terre.

 

Simulation et modélisation théorique

Les activités de recherche des équipes du Service d’Astrophysique (SAp) CEA/Irfu sont spécialisées dans la modélisation et la simulation de la structure, de la dynamique et de l’évolution des étoiles et de leur environnement. Ainsi, en se basant sur leur expérience de la modélisation théorique et de la simulation de l’hydrodynamique interne des étoiles et de leur magnétisme, ces équipes au sein de collaborations internationales se situent en bonne position pour apporter une compréhension approfondie des propriétés des systèmes observés depuis l’espace et depuis le sol.

 

Comprendre les mouvements internes des étoiles

Dans ce contexte, la première étape du travail de modélisation a été d’étudier l’évolution hydrodynamique de la rotation interne des étoiles tout au long de leur évolution, depuis leur naissance jusqu’à leurs stades évolutifs finaux. Cette rotation influe sur leur structure, leur temps de vie, et de nombreuses autres propriétés telles que l’abondance des éléments chimiques à leur surface.  Une fois modifiées,  ces  propriétés  vont  ensuite  perturber  l’enrichissement  du milieu interstellaire, source des futures générations d’étoiles et des systèmes planétaires associés. Les équipes du SAp ont ainsi participé de manière active à l’amélioration de la compréhension des processus de transport hydrodynamiques à l’intérieur de l’étoile, mouvements qui modifient la rotation interne des étoiles sur les longues échelles de temps. Il a été ainsi montré l’influence des écoulements à grande échelle dans les régions radiatives des étoiles où le transport de l’énergie est assuré par le rayonnement et la turbulence induite par le cisaillement des couches fluides (Decressin, Mathis et al. 2009).

Cependant, les observations sismiques de notre Soleil avec l’instrument GOLF, localisé à bord de SOHO, et pour lequel le Service d’Astrophysique (SAp) du CEA/Irfu a été l’un des contributeurs principaux, montrent que ces mécanismes seuls ne suffisent pas à expliquer la rotation du cœur radiatif solaire. C’est pour cette raison, que les chercheurs s’intéressent maintenant au transport induit par des oscillations internes dénommées « ondes de gravité » qui sont excitées à la base des couches externes dites convectives des étoiles « de type solaire » et qui se propagent dans leurs régions internes dites radiatives. Sur Terre, des phénomènes semblables sont observés dans l’atmosphère et dans les océans.  L’impact sur la rotation interne des  étoiles  d’un  possible  champ  magnétique  dit  « fossile »,  qui  aurait  été  piégé  lors  de  la naissance des étoiles, a aussi été considéré.

Concernant les ondes de gravité, dont la dynamique est conduite par la force de rappel d’Archimède et l’accélération de Coriolis, le  SAp  a tout d’abord analysé leur impact sur la rotation et de la rétroaction de celle-ci sur la propagation et l’excitation des ondes (Mathis et al. 2008; Mathis 2009). Ensuite, pour les champs magnétiques fossiles, les recherches menées par les astrophysiciens permettent de mieux comprendre leur géométrie et leur stabilité (Duez & Mathis 2010 ; Duez, Braithwaite & Mathis 2011) ainsi que leur action directe sur la rotation sur les grandes échelles de temps (voir aussi la contribution de Sacha Brun dans ce dossier). Enfin, l’étude de l’impact du champ magnétique sur la propagation des ondes de gravité et leur action a été entreprise (Mathis & de Brye 2011).

 

 

Figure 1 : Reconstitution de la configuration torsadée du champ magnétique fossile dans une région non convective d’une étoile (Crédits : The Astrophysical Journal).

Le  travail  de  modélisation  du  Service  d’Astrophysique  du  CEA/Irfu  allie  théorie  et simulations numériques pour le traitement des différentes échelles de temps de l’évolution des étoiles. L’objectif est aujourd’hui de construire des modèles de plus en plus raffinés de leur dynamique interne, modèles qui sont maintenant fortement « contraints » par les observations de plus en plus riches que les astrophysiciens obtiennent depuis l’espace et le sol. Cependant, comme nous le voyons dans le cas de notre Soleil, les étoiles ne sont pas des objets isolés et c’est la raison pour laquelle il devient essentiel de comprendre également leur interaction avec l’environnement proche et notamment leur impact sur les planètes.

 

Décrypter les effets de marées des étoiles

Parmi les interactions des étoiles avec leur environnement, la première est l’interaction gravitationnelle de marée qui va être un des acteurs principaux de la structuration des systèmes planétaires qui entourent les étoiles. Ces marées vont influencer l’orbite des planètes, et donc leur possible position dans une région dite d’habitabilité, où les conditions sont favorables pour la vie. Mais elles vont aussi affecter l’inclinaison de leur axe de rotation et également leur rotation interne qui permet de générer un potentiel champ magnétique à l’origine d’une magnétosphère protectrice13. 

 

 

 

Figure 2 : Champ de vitesse de marée provoqué par une planète à l’intérieur une étoile telle que notre Soleil (Crédits : Rémus, Mathis & Zahn).

Les  effets de  marées entre  les  étoiles  et  leur  cortège  planétaire  induisent  des vitesses au sein des corps célestes. Du fait de la friction interne dans chacun d’entre eux l’énergie cinétique est alors convertie en chaleur. C’est cette dissipation qui va par exemple conduire à la synchronisation14 des astres avec leur mouvement orbital comme dans le cas de la Lune. Elle constitue  un  acteur  majeur  pour  l’évolution  des systèmes planétaires. C’est à la compréhension de ces mécanismes de dissipation essentiels que participent activement les chercheurs du SAp en calculant les champs de vitesses de marées dans les régions fluides (étoiles et planètes gazeuses) mais aussi rocheuses (planètes telluriques) des corps célestes. L’objectif est de construire les premiers modèles complets de la dissipation de marées dans les intérieurs stellaires et planétaires (Rémus, Mathis & Zahn 2011). Pour tester ces modélisations, les astrophysiciens ont étudié par exemple les manifestations de la dissipation des marées dans notre propre système solaire, Pour la première fois, leur importance dans la structuration du système des satellites de Saturn15e a été mise en évidence (Charnoz et al. 2011).

 

Figure 3 : Interactions dans un système planétaire entre l'étoile centrale et les planètes. L'écorché de l'étoile de type solaire montre la région convective externe et les ondes internes se propageant dans le cœur radiatif. L'écorché de la planète de type terrestre montre les différentes régions fluides et rocheuses où prend place la dissipation des marées.

L’objectif à terme est de reproduire le plus fidèlement l’interaction « étoile – planète » en couplant ces modèles d’interactions gravitationnelles avec les modèles d’interaction du champ magnétique (comme pour les relations Soleil – Terre; voir la contribution de Sacha Brun dans ce dossier) pour obtenir une vision intégrée des systèmes planétaires et de leur évolution. Ces études s’inscrivent notamment dans la perspective du projet PLATO (pour PLAnetary Transits and Oscillations of stars), une mission spatiale en cours de sélection par l’Agence spatiale Européenne (ESA) pour un lancement après 2017, projet conduit par l’Observatoire de Paris auquel collabore activement le CEA.

 

Maj : 20/02/2014 (3129)

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