Une étude théorique originale publiée dans Astronomy & Astrophysics révèle que les zones radiatives des étoiles, ces régions où l’énergie est transportée par le rayonnement, ne sont pas aussi statiques qu’on le pensait. Bien que la convection — ces mouvements de matière similaires à ceux de l’eau qui bout — n’y soit pas active (les photons suffisent à y transporter l’énergie sans mouvement de matière), des ondes internes de gravité, des instabilités et des courants à grande échelle y génèrent un mélange chimique bien plus important que prévu. Ces phénomènes, encore mal compris, influencent directement l’évolution de la rotation et de la composition chimiques des étoiles.
Un pont entre océanographie et astrophysique
Jusqu’à présent, l’absence de convection dans la zone radiative au cœur des étoile, était considérée comme synonyme d’absence de mélange macroscopique. Or, on sait que les étoiles sont des grands tambours. Elles vibrent en permanence avec des oscillations de deux types : acoustiques ou de gravité. Ces ondes ne se propagent pas de manière identique dans les étoiles et explorent ainsi différentes zones.
Les ondes acoustiques sondent surtout la surface, bien que certains modes puissent passer par le centre, tandis que les ondes de gravité sont principalement confinées dans la zone radiative (cf. figure 1). Ils se trouvent que les oscillations stellaires (dues à des ondes de gravité qui se propagent dans la zone radiative des étoiles), observées grâce aux variations de luminosité, ont révélé des mouvements inattendus dans les étoiles évoluées et de masses intermédiaires (entre 2 et 8 fois la masse de notre Soleil).
En s’inspirant de concepts développés en océanographie, un chercheur du DAp-AIM (CEA-Irfu) propose une nouvelle approche pour comprendre ces dynamiques.
Les océans terrestres et les zones radiatives des étoiles partagent en effet des propriétés fondamentales : tous deux sont des fluides gouvernés par les forces d’Archimède et de Coriolis, où se propagent des ondes internes de gravité influencées par la rotation (cf figures 2 & 3).
En appliquant aux étoiles des modèles utilisés pour décrire le mélange océanique, le chercheur a établi un lien entre l’efficacité du transport de matière et l’énergie dissipée par les fluctuations induites par les ondes et la turbulence.
Résultat : cette approche permet d’expliquer naturellement les variations d’intensité du mélange chimique observées dans les simulations numériques les plus récentes des zones radiatives stellaires, en fonction de leur structure et de leur rotation.
Une avancée majeure pour l’astrophysique
Ce travail illustre la fertilité des échanges entre géophysique et astrophysique. Malgré des échelles radicalement différentes, les océans et les intérieurs stellaires obéissent aux mêmes principes de dynamique des fluides. Les outils développés pour étudier la circulation océanique pourraient ainsi aider à résoudre des énigmes ouvertes en évolution stellaire, comme l’histoire de la rotation des étoiles et de leur composition chimique — un enjeu central pour comprendre la vie des étoiles.
Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet ERC Synergy 4D-Star (KU Leuven, CEA, Université de Toulouse, Dartmouth College), qui vise à percer les mystères de la dynamique interne des étoiles. Une avancée qui ouvre la voie à une meilleure compréhension des processus physiques régissant le cœur des étoiles.
Contact IRfu/DAp: Stéphane Mathis
Publication : « Understanding hydrodynamical wave-driven shear mixing in stellar radiation zones: Looking in the mirror of the dyapicnal oceanic mixing« , Astronomy & Astrophysics, Volume 710, id. L19.
Projet ERC 4D-Star