Les oscillations acoustiques des étoiles de faible masse, similaires au Soleil, constituent l’un des outils les plus puissants pour sonder leur structure interne, leur dynamique et leur évolution. Cette discipline, appelée astérosismologie, repose sur l’analyse des fréquences des oscillations stellaires. Des chercheurs du laboratoire AIM du CEA Paris-Saclay et en collaboration avec la Northwestern University (USA), montrent grâce à des simulations hydrodynamiques inédites, que leur amplitude porte également la signature de la rotation stellaire. En révélant que la rotation agit à la fois sur l’excitation et l’amortissement des ondes acoustiques, leurs travaux ouvrent une nouvelle voie pour caractériser les étoiles en rotation et améliorer l’interprétation des observations astérosismiques.
Les étoiles de type solaire possèdent une enveloppe relativement épaisse, au sein de laquelle l’énergie est transportée par la convection, c’est-à-dire des mouvements macroscopiques de fluides, comme cela est illustré sur la Figure 1. Ces mouvements turbulents génèrent des ondes acoustiques qui vont ensuite se propager au sein de l’étoile. Lors de leur propagation, ces ondes vont porter la signature des milieux qu’elles traversent, et interférer entre elles afin de former des modes d’oscillations globaux de l’étoiles. Cette double propriété fait de ces ondes un outil exceptionnel pour sonder l’intérieur des étoiles ! Le principe est très similaire aux ondes sismiques qui se propagent dans la Terre et qui permettent aux sismologues d’étudier en détails la structure interne de notre planète. C’est pour cette raison que l’on parle d’astérosismologie.
Ces modes d’oscillations acoustiques, appelés modes p pour modes de pression, vont déformer la surface de l’étoile et provoquer de très faibles variations de luminosité observables depuis l’espace. En observant de manière continue une étoile pendant suffisamment longtemps on peut mesurer la période de ses oscillations et ainsi contraindre les propriétés internes des étoiles avec une précision inaccessible autrement. Pour les étoiles de type solaire, il est attendu que toutes les étoiles présentent ce type d’oscillations. Cependant, les données du télescope spatial Kepler de la NASA ont révélé qu’environ la moitié des étoiles de type solaire observées n’en montre aucune trace mesurable. Cette absence de détection se retrouve principalement pour les étoiles en rotation rapide ainsi que celles fortement actives magnétiquement.
Leurs résultats, publiés dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, mettent en évidence qu’il existe un lien direct entre amplitudes des oscillations acoustiques et vitesse de rotation de l’étoile.
En effet, la rotation va ralentir les mouvements convectifs turbulents responsables de l’excitation des ondes acoustiques, réduisant ainsi l’énergie injectée dans ces oscillations. Dans les modèles avec les rotations les plus rapides, les chercheurs observent également une augmentation de l’amortissement des ondes, ce qui accentue encore la réduction de leur amplitude.
Ce résultat est illustré sur la Figure 2, qui présente la modulation de l’amplitude des oscillations acoustiques mesurée dans les simulations (courbe bleue) et prédite théoriquement (courbe orange) en fonction de la vitesse de rotation de l’étoile. Ainsi, plus une étoile est en rotation rapide, plus l’amplitude de ses oscillations sera réduite.
Ces résultats ont ainsi deux conséquences majeures.
- Premièrement, ils apportent une explication physique cohérente à l’absence de détection d’oscillations dans de nombreuses étoiles de type solaire en rotation rapide observées par le satellite Kepler. Il est en effet probable que pour les étoiles dont le taux de rotation est très rapide, l’amplitude des oscillations soit sous le seuil de détection de Kepler. Il serait donc nécessaire d’obtenir des données avec une meilleure résolution pour espérer détecter les modes d’oscillations des rotateurs les plus rapides.
- Deuxièmement, en établissant un lien direct entre vitesse de rotation et amplitudes des oscillations acoustiques des étoiles de type solaire, cette étude permettra de fournir de nouveaux diagnostics pour utiliser ces amplitudes comme un nouvel indicateur de la rotation interne des étoiles.
Les futures missions d’astérosismologie, comme la mission PLATO de l’ESA dont le lancement est prévu en 2027 et pour laquelle le CEA est fortement impliqué, pourront ainsi mieux exploiter les « séismes stellaires » pour contraindre la rotation, la convection et, plus largement, l’évolution des étoiles.
Contacts : Stéphane Mathis, Arthur LE SAUX
Lien vers la publication Le Saux, Bessila & Mathis (2026), MNRAS 549, 1