Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

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).

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.

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.