Une équipe internationale incluant des chercheurs du département d'Astrophysique (DAp) du CEA/Irfu, travaillant en particulier au laboratoire Dynamique des Etoiles, des (Exo)planètes et de leur Environnement (LDE3) a pu démontrer que les étoiles tournent plus vite que prévu en vieillissant. En utilisant des techniques d'astérosismologie (l’étude des étoiles grâce à la caractérisation de leurs modes d’oscillation par des méthodes sismiques), les chercheurs ont pu analyser pour la première fois un échantillon complet de 91 étoiles couvant des âges de 1 à 13 milliards d’années. Ces données confirment bien que les étoiles les plus âgées freinent moins efficacement leur rotation. Cette découverte apporte un nouvel éclairage sur l’évolution de la rotation des étoiles et devrait permettre de calculer plus exactement l’âge des étoiles. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Astronomy du 22 avril 2021.
Toutes les étoiles comme le Soleil naissent en rotation. En vieillissant, leur rotation ralentit en raison des vents magnétiques dans un processus appelé « freinage magnétique ». Des recherches publiées en 2016 (avec une forte participation du DAp) ont fourni les premiers indices selon lesquels des étoiles à un stade de vie similaire à celui du Soleil tournaient plus vite que les théories du freinage magnétique ne l'avaient prédite auparavant. Les résultats de cette étude reposaient sur la mesure des taches sombres à la surface des étoiles en les suivant au fur et à mesure qu’elles se déplacent avec la rotation de l’astre. Bien que la méthode se soit avérée robuste pour mesurer la rotation dans les étoiles plus jeunes, les étoiles plus âgées que le Soleil ont moins de taches, ce qui complique la détermination de leur rotation. Pour contourner ces difficultés et augmenter les détections dans les cas où le signal est faible, des méthodes utilisant les techniques les plus modernes d’intelligence artificielle ont été développées (Breton et al. 2021). Ces nouvelles techniques ont permis d’avoir une vision complète de la rotation des étoiles jeunes et froides de l’échantillon observé par le satellite américain de la NASA Kepler. Cependant, il fallait changer de méthodologie pour aller chercher la rotation des étoiles plus âgées.
C’est pour cette raison que, dans cette nouvelle étude publiée dans Nature Astronomy, les chercheurs ont utilisé une approche différente pour confirmer que les étoiles âgées tournent plus vite que prévu. Ils ont utilisé l'astérosismologie pour calculer la rotation de l'étoile. Ce domaine d'étude relativement nouveau, et appliqué avec succès au Soleil, permet aux scientifiques de mesurer les oscillations causées par les ondes sonores piégées à l'intérieur de l'étoile. En mesurant les différentes caractéristiques de ces ondes, on peut sonder les étoiles, et déterminer leur taille ou leur âge. De plus, au fur et à mesure que l'étoile tourne, ces modes se divisent en différentes fréquences, certaines plus aiguës et d’autres plus graves (c’est à dire des fréquences plus hautes ou plus basses que la fréquence au repos). C’est un effet similaire au changement de son (fréquence) expérimenté quand une ambulance ou une voiture s’approche ou s’éloigne de vous. En mesurant cette différence de fréquence, il est possible de calculer le taux de rotation de l’étoile, aussi bien jeunes qu’âgées.
Bien que nous soupçonnions depuis 2016 que les étoiles plus anciennes tournent plus vite que ne le prédisent les théories du freinage magnétique, ces nouvelles données astérosismiques obtenues par le satellite Kepler sont les plus convaincantes à ce jour pour démontrer que ce « freinage magnétique affaibli » est effectivement à l’œuvre dans les étoiles de faible masse similaires au soleil.
Comprendre l’interaction complexe entre le vent, le champ magnétique et la rotation des étoiles constitue une des pierres angulaires de la compréhension de la dynamique et de l’évolution des étoiles. Pour obtenir une vision complète et cohérente de ces mécanismes la combinaison des observations, de la théorie et des simulations numériques est nécessaire et en cours d’élaboration au CEA/Irfu/DAp/LDE3, en particulier dans le cadre de la préparation de la mission spatiale ESA M3 PLATO.
Contact : Rafael A. García (S. Mathis et A. Strugarek)
Publication:
- Hall et al (2021). “New asteroseismic rotation rates of Kepler dwarfs show strong agreement with weakened magnetic braking on the late-age main sequence”. Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-021-01335-x
Note:
- Breton et al (2021). “ROOSTER: a machine-learning analysis tool for Kepler stellar rotation periods” Astronomy & Astrophysics 647, A125.
Voir : – l'actualité du CEA-Presse (23 avril 2021)
– le communiqué de presse de l'université de Birmingham (22 avril 2021)
Voir aussi :
– Vibration d’étoile et collision galactique (13 janvier 2020)
– Synergie entre astérosismologie et transit planétaire (19 juillet 2019)