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Laboratoire AIM

 
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La sismologie révèle la rotation interne des étoiles géantes rouges

Une longue analyse des vibrations lumineuses de trois étoiles géantes vient de révéler la vitesse de rotation de leur coeur. Ces étoiles, qui sont environ 40% plus massives et qui ont un rayon 5 fois plus grand que le Soleil,  tournent presque 10 fois plus vite à l'intérieur qu'à la surface. C'est la première fois que la rotation interne des étoiles peut être directement mesurée. Ce succès est à mettre une nouvelle fois au crédit de l'astérosismologie, une technique de sondage de l'intérieur des étoiles grâce à l'analyse d'infimes fluctuations de luminosité. Ces résultats ont été obtenus par l'analyse de plus de 510 jours d'observations par le satellite Kepler, de la NASA, réalisée par le consortium KASC (pour Kepler Asteroseismic Science Consortium), une équipe principalement européenne incluant Rafael Garcia du Service d'Astrophysique du CEA-Irfu [1]. Ils font l'objet d'une publication dans la revue Nature du 8 décembre 2011.

La rotation du coeur des géantes rouges

Visionner la vidéo (vue d'artiste)  [0'53],

Crédits Paul Beck (K.U. Leuven. Belgium 2011)

 

Des soleils évolués

Les étoiles géantes rouges représentent un stade avancé de l'évolution des étoiles lorsque tout l'hydrogène du coeur de l'étoile a été totalement transformé en hélium par les réactions thermonucléaires. Ce stade sera atteint par le Soleil dans environ 6 milliards d'années. Lorsque l'hydrogène est épuisé, la région centrale de l'étoile se contracte et l'enveloppe extérieure se dilate et se refroidit en devenant plus rouge: l'étoile apparait alors comme une "géante rouge". Le principe de conservation de la rotation exige que le coeur de ces étoiles tourne plus vite que leurs enveloppes. Ces prédictions sont le réultat de calculs théoriques mais jusqu'à présent, il n'existait aucune preuve directe du phénomène. Les informations sur la distribution de rotation à l'intérieur des étoiles sont inaccessibles à l'observation directe, mais elle peut être extraite par l'astérosismologie, l'étude d'oscillations qui se propagent jusqu'au centre des astres.

Les oscillations d'étoiles sont une réponse de la structure de l'étoile à des vibrations en général déclenchées par des mouvements turbulents proches de sa surface. Sous l'action de ces vibrations, l'ensemble de l'étoile résonne comme un tambour ce qui produit de très faibles oscillations de luminosité. L'analyse de ces oscillations permet alors de sonder l'intérieur des étoiles tout comme sur Terre, l'analyse des vibrations terrestres à la suite d'un tremblement de terre permet par la sismographie de sonder l'intérieur du globe.

 

Les géantes rouges (à droite) ont une structure très différente du Soleil (à gauche) avec une région convective beaucoup plus profonde. C'est dans cette région que se propagent les oscillations qui permettent la mesure de la rotation des couches les plus internes. Crédit image ESO

Les étoiles ne tournent pas d'un seul bloc

Différentes types d'oscillations se propagent à l'intérieur de l'étoile : soit dans les couches externes (les ondes acoustiques), soit dans le cœur de l‘étoile (les ondes de gravité) et parfois des "modes mixtes" (mélange acoustique-gravité) qui permettent alors de sonder un très large volume dans l'étoile. C'est en utilisant ces "modes mixtes" que les scientifiques ont pu retracer les variations de la rotation à l'intérieur des étoiles géantes. Paradoxalement, cette étude ne peut encore être faite sur le Soleil car, en raison de la forte convection de ses régions extérieures, les modes acoustiques dominent largement sur les modes de gravité et les modes mixtes n'ont pu encore être isolés. Chaque oscillation ayant une fréquence bien déterminée, la vitesse de rotation peut alors être mesurée par l'effet Doppler, un décalage des fréquences proportionnel à la vitesse.

 

Portion du spectre de puissance de l'étoile géante rouge KIC 8366239. Chaque mode d'oscillation est divisé en plusieurs composantes à cause de la rotation. Les mêmes composantes de chaque mode sont reliées par un trait horizontal. La séparation permet la mesure de la vitesse de rotation. Crédits Kepler/NASA

Les études les plus détaillées ont pu être faites sur trois géantes rouges, KIC 8366239, KIC 5356201 et KIC 12008916, à partir d'un échantillon de plus de 1000 étoiles observées par le satellite Kepler. Couche par couche, la rotation interne des étoiles a pu être mesurée et a révélé  que ces étoiles ne tournent pas comme des corps solides. Leur rotation s'accélère considérablement à l'intérieur. La rotation de surface est selon les étoiles de 20 et 50 jours alors que la région centrale tourne en 2 à 5 jours. Le coeur des géantes tourne donc environ 10 fois plus vite que l'extérieur.

"Avec ces résultats, nous confirmons les prédictions établies auparavant" explique Raphaël Garcia qui a participé à l'étude. "Ce qui est nouveau en revanche, c’est de pouvoir faire des mesures directes de la rotation interne des étoiles, à différents moments de leur évolution, quelque chose d'inimaginable, il y a encore quelques années. Nous allons pouvoir pour la première fois confronter des mesures à nos modèles purement théoriques. C'est une véritable révolution qui s'annonce."

A terme, plus de 15 000 géantes rouges vont être observées par le satellite Kepler qui fourniront des mesures pour des étoiles à différents stades de leur évolution, un véritable test grandeur nature pour les modèles d'étoiles où la rotation joue un rôle très important.

 

La rotation du coeur des géantes rouges

Visionner la vidéo (vue d'artiste)  [0'53],

Crédits Paul Beck (K.U. Leuven. Belgium 2011)

Le concert des géantes rouges (mp3) Ecoutez les vibrations des étoiles géantes traduites en sons selon leurs fréquences réelles : écoutez trois étoiles de taille croissante  [1'00],

Crédits Daniel Huber (Univ. Sydney 2011)

 

Contact :

Publication :

« Fast core rotation in a red giant star as revealed by gravity-dominated mixed modes »
Beck et al. (2011) publié dans la revue Nature du 8 décembre 2011 (pour une version électronique ficher PDF)

voir             -  le communiqué de presse commun CEA-CNRS (8 décembre 2011)
                  -  l'actualité de l'Observatoire de Paris-Meudon (8 décembre 2011)
                  -  l'actualité de l'université de Louvain (Belgique)  (8 décembre 2011, en anglais)

 

voir aussi    - "Palpitations de stars" (8 avril 2011) 
                  - "Le coeur des étoiles géantes révèle leur source d'énergie" (30 mars 2011)  
                  - "Des astronomes prennent le pouls d’une étoile géante" (17 mars 2011)
                  - "Astérosismologie et activité magnétique" (27 aout 2010)
                  - "Premiers résultats astérosismologiques du satellite KEPLER" (1 mars 2010)
                  - "Pulsations d'étoiles" (20 octobre 2009)

et               - "Bouleversement dans la compréhension des étoiles", dossier de presse (29 avril 2011)

 

Presse :     - "Le cœur des géantes rouges tourne vite" (revue Pour la Science 20 décembre 2011)

 

Notes :

[1]   Le consortium scientifique pour l’astérosismologie sur Kepler (KASC) regroupe des chercheurs internationaux avec une participation importante de laboratoires européens parmi lesquels l'Institut astronomique de Louvain et l'université de Liège (Belgique), l'Observatoire de Paris-Meudon (LESIA, Meudon), l'université de Birmigham (U.K.),  l'Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay) et le Service d'Astrophysique du CEA-Irfu. Le financement de la mission  Kepler Mission est fourni par le département des missions scientifiques de la NASA. Les auteurs remercient toute l'équipe derrière Kepler.


Rédaction: R. Garcia, J.M. Bonnet-Bidaud

 

maj : 28-01-2012 (3116)