Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Pollux utilisé comme proxy au futur de notre Soleil

Le Soleil se trouve actuellement dans la séquence principale, une phase stable où l’hydrogène fusionne en hélium dans son noyau, produisant l’énergie nécessaire pour maintenir l’équilibre mécanique (hydrostatique) de l’étoile. Dans environ 5.5 milliards d’années, le Soleil aura converti tout son hydrogène en hélium dans son coeur nucléaire et entrera alors dans une phase plus instable. Son cœur se contractera jusqu'à initier la fusion de l’hélium, libérant une grande quantité d’énergie qui dilatera les couches externes de l’étoile, suivant un mécanisme thermostatique. Le Soleil deviendra alors une géante rouge, avec un diamètre atteignant l’orbite de Vénus, et une luminosité jusqu’à 2 000 fois plus élevée.

En ce qui concerne l’évolution de son champ magnétique, les choses sont moins claires. Au-delà du cœur radiatif stable et dense des étoiles, le plasma de l’étoile devient convectivement instable et produit ainsi des écoulements de matière à plus ou moins grande échelle. Ces cellules convectives sont affectées par la rotation non uniforme (différentielle) en fonction du rayon et de la latitude présente dans l’enveloppe, et permettent la mise en place d’une dynamo à l’échelle de l’étoile, entretenant la génération d’un champ magnétique contre sa dissipation par effet Joule. Toutefois, on ignore comment ce champ évoluera lorsque le Soleil atteindra la phase de géante rouge, au cours de laquelle son enveloppe se dilatera considérablement et sa rotation ralentira fortement.

Une équipe de chercheurs, associée au Département d’Astrophysique du CEA Paris-Saclay et à l’OSU OREME de l’Université de Montpellier s’est donc attelé à la tâche. Elle a utilisé l’étoile Pollux, qui a tout juste atteint le stade de géante rouge, comme proxy pour comprendre le futur de notre étoile. Pollux, bien étudiée en raison de sa proximité et de sa luminosité, présente une masse 2,5 fois supérieure à celle du Soleil et un rayon environ 9 fois plus grand (cf. Figure 1). Les observations spectro-polarimétriques ont montré que le champ magnétique à la surface était très faible, à peine inférieur à 1 Gauss, probablement l'un des plus faibles jamais détectés sur une étoile.

Découverte du mécanisme de dynamo des géantes, une première mondiale

Pour comprendre le champ magnétique des géantes et le processus de dynamo dans leur enveloppe convective étendue, l'équipe de chercheurs a réalisé une série de simulations magnéto-hydrodynamiques 3D (figure 2), grâce aux supercalculateurs GENCI du TGCC et de l'Idris.

Les valeurs du champ magnétiques déduites des simulations numériques de l’étude sont comparable aux valeurs très faibles mesurées à la surface de Pollux, de l’ordre de 1G.

Les chercheurs démontrent également que la géométrie et l’intensité de ce champ magnétique dépendent directement de la taille des cellules de convection (cf figure 4). De petites cellules, illustrées par la simulation de gauche dans la figure 3, produisent un champ magnétique plus faible et plus complexe, et structuré à petites échelles. Cela s'explique par une corrélation moins efficace entre les structures convectives et magnétiques à ces grandes échelles, limitant ainsi la cohérence et la puissance du champ magnétique global comme illustré à gauche de la figure 4.

Grâce à cette étude, les chercheurs ont estimé qu’entre 2 et 8% de l’énergie cinétique est convertie en énergie magnétique en fonction des paramètres/cas considérés. La découverte d’un tel mécanisme de dynamo dans des simulations 3D turbulentes d’étoiles géantes est une première mondiale.

Enfin, comme le montre la figure 4, les simulations suggèrent qu’une étoile comme Pollux pourrait inverser la polarité du champ magnétique sur des périodes de plusieurs années, comme le fait le Soleil. Ce phénomène n’est pas visible dans les données actuelles car elles ne couvrent qu'environ quatre ans d’observation. L’étude prédit ainsi que des observations régulières sur une période plus longue pourraient révéler des inversions magnétiques chez Pollux.

Une étude clé pour la réussite des prochaines missions stellaires et exoplanétaires

Cette étude sur le magnétisme des étoiles géantes apporte une meilleure compréhension du phénomène de dynamo stellaire en proposant un scénario où la turbulence à petite échelle génère un champ magnétique de faible intensité dans l’enveloppe étendue de ces étoiles.

En créant de l’activité magnétique à la surface de l’étoile et en provoquant ainsi des variations de luminosité, le champ magnétique complique la détection et la caractérisation des exoplanètes. Ainsi, en approfondissant notre connaissance du magnétisme stellaire, cette recherche s’inscrit parfaitement dans le cadre de la future mission spatiale de recherche d’exoplanètes de l’ESA, PLATO, pour laquelle le LDE3 et le LUPM contribuent activement.