Une collaboration internationale de chercheurs incluant Rafael A. García du Service d'Astrophysique du CEA-Irfu/laboratoire AIM est parvenue à déterminer la présence de forts champs magnétiques au coeur des étoiles géantes rouges qui vibrent comme le Soleil. En étudiant les ondes générées à la surface de centaines d’étoiles géantes rouges, les scientifiques ont pu sonder l’intérieur des astres et reconstituer leurs structures, caractérisant en particulier les phénomènes magnétiques internes. Ils ont pu découvrir ainsi l’existence d’un champ magnétique interne considérable. Ces résultats, obtenus par astérosismologie, analyse des faibles oscillations de luminosité d’une étoile, permettront aux chercheurs de mieux comprendre l’évolution des étoiles où le champ magnétique joue un rôle fondamental. Ces résultats sont publiés dans la revue Science du 23 octobre 2015.
Les géantes rouges
Les géantes rouges sont des étoiles plus âgées et plus grosses que le Soleil et représentent le stade avancé de l’évolution d’une étoile. Lorsque le combustible hydrogène situé au cœur de l’étoile est épuisé, les réactions nucléaires se déplacent vers des couches plus extérieures. Le volume de l’étoile augmente, elle devient une géante tandis que la température à sa surface diminue, la couleur de l’étoile se déplace ver le rouge : l’étoile atteint le stade de géante rouge. Cette étape sera le destin du Soleil dans environ 6 milliards d’années.
Effet de serre magnétique stellaire
Les mouvements convectifs agitant les régions externes de l’étoile génèrent des ondes sonores qui interagissent avec des « ondes de gravité », lesquelles pénètrent profondément dans les cœurs des géantes. De forts champs magnétiques peuvent perturber la propagation des ondes de gravité, qui restent alors piégées dans les couches internes de l’étoile selon un phénomène appelé ici « effet de serre magnétique » par son analogie avec l’effet de serre terrestre qui lui concerne les échanges thermiques avec l’atmosphère de la planète. Étudier les caractéristiques des ondes à travers l’astérosismologie permet de reconstituer les propriétés magnétiques de l’intérieur de l’étoile.
A gauche: reconstitution des champs magnétiques internes (bleu) dans le coeur d’une géante rouge. Ces champs magnétiques intenses peuvent empêcher les « ondes de gravité » d'atteindre la surface de l'étoile, les piégeant à la manière d'un « effet de serre magnétique » (ligne orange). © Rafael A. García (SAp CEA), Kyle C. Augustson (HAO), Jim Fuller (Caltech), Gabriel Pérez (SMM, IAC). Image NASA AIA/SDO.
A droite: Propagation des ondes dans les géantes rouges. Les ondes acoustiques excités par la turbulence de surface (région rose) se couplent avec des ondes de gravité qui se propagent dans l’intérieur radiatif de l’étoile géante rouge (région en bleu). En présence du champ magnétique du cœur de l’étoile (région verte), les ondes de gravité dipolaires, décrites par le degré angulaire l=1, sont dispersées et se transforment alors en ondes de degré angulaire plus élevé. Ces ondes sont ainsi piégées dans le cœur de l’étoile puis finissent par s’évanouir (flèche en pointillé grisé). C’est ce mécanisme qui est défini comme un « effet de serre magnétique ».
Oscillation et champ magnétique
Une étude précédente menée en 2011 par R. García et ses collaborateurs avait conduit à la découverte grâce aux observations effectués par le satellite Kepler [1], d’une nouvelle classe d’étoiles géantes rouges avec des modes d’oscillation de degré l=1 ou dipolaires de plus faible amplitude (voir Les mesures sismiques solaires pour une description des modes d'oscillation).
Ce graphique compare les prédictions théoriques (région verte) de l’amplitude des modes dipolaires obtenue par effet de serre magnétique dans la présente étude avec les données obtenues sur un échantillon d’étoiles géantes rouges à diverses phases de leur évolution. L’échelle horizontale décrit la fréquence des modes où les oscillations sont maximum. L’échelle verticale V2 est une mesure de la visibilité des modes dipolaires (l=1). Sur ce graphique, les symboles oranges sont des étoiles avec des modes dipolaires de faible amplitude, expliquées dorénavant par la présence dans leur cœur d’un fort champ magnétique. KIC 8561221 et 9073950 sont les deux étoiles les moins évoluées de l’échantillon étudié.
Ce travail explique les faibles valeurs des amplitudes des modes dipolaires et a mis en évidence que le champ magnétique à l'intérieur des étoiles géantes rouges peut atteindre des valeurs considérables, 10 millions de fois plus importantes que celle du champ magnétique terrestre.
Bien qu’il s’agisse d’une technique d’observation indirecte des champs magnétiques internes, l’astérosismologie montre ainsi tout son potentiel. Cette discipline contribuera à terme au débat animant la communauté scientifique sur l’origine et la nature des champs magnétiques intenses observés dans certaines naines blanches et étoiles à neutrons.
Contact: Rafael GARCIA
Publication: « Asteroseismology can reveal strong internal magnetic fields in red giant stars », Jim Fuller, Matteo Cantiello, Dennis Stello, Rafael A. García & Lars Bildsten, Science, octobre 2015, doi 10.1126/science.aac6933
Version électronique arXiv:1510.06960
Notes :
[1] Le satellite Kepler de la NASA, mis en orbite en mars 2009, est destiné à la recherche des planètes autour des étoiles. Il peut mesurer des variations infimes de luminosité et permet ainsi de détecter les vibrations des étoiles.
Voir : Le communiqué de presse du CEA
Voir aussi :
- Cycle magnétique et grand minimum d'activité (29 septembre 2015)
- Les variations du cycle solaire décodées par l'héliosismologie (17 juin 2015)
- Les étoiles tournent moins vite avec l'âge (01 janvier 2015)
- Les jumeaux du Soleil (09 juillet 2014)
- Le coeur des étoiles géantes révèle leur source d'énergie (30 mars 2011)
- Astérosismologie et activité magnétique (26 août 2010)
- Tremblements stellaires (01 mars 2010)
Voir : Communication du Service d'Astrophysique
• Le Département d'Astrophysique (DAp) // UMR AIM
• Dynamique des Etoiles, des Exoplanètes et de leur Environnement
