Le Conseil Européen de la Recherche (ERC) vient de décerner une prestigieuse bourse Synergie à l’astrophysicien Stéphane Mathis du CEA/Irfu. Avec Conny Aerts (KU Leuven, Belgique, qui coordonne le projet), Michel Rieutord (Université de Toulouse), et Aaron Dotter (Dartmouth College, USA), ils reçoivent près de 10 millions d’euros pour 6 ans, pour leur projet 4D-STAR qui développera des modèles numériques tridimensionnels innovants d’étoiles magnétiques en rotation le long de leur évolution.
Les bourses synergie de l’ERC récompensent des projets ambitieux ayant pour objectif de résoudre les problèmes de recherche les plus ardus au monde impliquant plusieurs disciplines scientifiques. Dans le cas du projet 4D-STAR, il s’agit de l’astronomie, de la physique théorique, de la mécanique des fluides, des mathématiques appliquées et du développement de codes numériques scientifiques à haute performance.
Quel est le problème à résoudre ?
Les étoiles sont la source du rayonnement, de la chimie et de la vie dans l’Univers. Compte tenu de leur rôle de pierre angulaire de l’astrophysique, de nombreux efforts ont été consacrés à leur observation depuis le sol et l’espace. Dans ce cadre, l’astérosismologie spatiale, c’est à dire l’étude des séismes stellaires avec des missions spatiales, a révolutionné notre connaissance de la structure interne, de l’évolution, de la dynamique et du magnétisme des étoiles. En effet, ces tremblements d'étoiles sont dus à des ondes qui traversent les étoiles et permettent aux chercheurs de déduire les propriétés physiques et chimiques de leurs intérieurs. Cependant, pour déduire des propriétés de base de la plupart des objets de l’Univers, comme l’âge, la composition chimique ou l’énergie, les astrophysiciens s’appuient sur des modèles stellaires simplifiés unidimensionnels traitant les étoiles comme des sphères parfaites. Cette approche, qui néglige l’aplatissement des étoiles en raison de leur rotation et les processus dynamiques multidimensionnels dans leur intérieur, donne une base instable pour l’astrophysique, introduisant des incertitudes majeures sur les âges stellaires pouvant atteindre 1000% !
Objectifs scientifiques de 4D-STAR : modèles 3+1D de structure et d'évolution stellaires calibrés par l'astérosismologie.
Les données astérosismiques des missions spatiales CoRoT, Kepler et TESS, l'astrométrie de la mission spatiale Gaia et les données spectroscopiques obtenues depuis le sol grâce à des instruments de haute précision pour l'ensemble du ciel sont maintenant, ou seront bientôt accessibles au public pour des millions d'étoiles de notre Voie lactée et de ses galaxies voisines les plus proches, les Nuages de Magellan. En s'appuyant sur cette mine d'or de données publiques optimales et d'outils d'analyse de pointe, les quatre chercheurs principaux proposent avec 4D-STAR un nouveau concept pour développer, mettre en œuvre et calibrer une théorie 3+1D pour l’évolution stellaire (dans trois dimensions spatiales et une dimension temporelle), en tenant pleinement compte de la rotation, du magnétisme, des processus de transport turbulents et des ondes tout au long de la vie des étoiles sphéroïdales. Des modèles 3+1D adéquats doivent prendre en compte l’impact de ces processus dynamiques agissant sur de courtes échelles de temps et de petites échelles spatiales sur l’ensemble du cycle de vie stellaire au cours de millions/milliards d’années. Ils doivent alors reproduire les propriétés mesurées de la rotation interne et du magnétisme stellaire. Le projet 4D-STAR permettra donc de surmonter les principales lacunes des modèles d'évolution stellaire 1+1D actuels et de fournir des âges stellaires avec une précision de 10% (100 fois mieux qu'aujourd'hui) en construisant des modèles stellaires numériques pour des sphéroïdes aplatis à 3+1D.
Bourse synergie pour unir des compétences, des connaissances, et des ressources dans un projet ambitieux
Conny Aerts explique « Avec 4D-STAR, nous entreprenons un long voyage ensemble, dans le but d’offrir une nouvelle base solide à l’astrophysique en construisant des modèles d’évolution tridimensionnels d’étoiles magnétiques en rotation calibrés par l’astérosismologie. » Conny Aerts est une figure de proue de l’astérosismologie au niveau mondial. Elle développe des modèles stellaires pionniers calibrés par l’astérosismologie pour contraindre la rotation et le mélange interne des étoiles. Elle ajoute « il est maintenant optimal d’entreprendre le développement de modèles stellaires multidimensionnels calibrés grâces aux données asterosismiques qui sont disponibles pour des milliers d’étoiles observées durant leur phases d’évolution principales ».
Aaron Dotter, un des leaders mondiaux pour le développement de codes numériques pour l’Astrophysique, poursuit « L’astérosismologie démontre clairement que les modèles unidimensionnels actuels ne peuvent pas expliquer les observations de haute précision des tremblements d’étoiles et qu’une nouvelle théorie de la structure et de l’évolution stellaires est nécessaire. Pour y parvenir, nous avons besoin avec Conny de l’aide de nos deux collègues français».
« En effet, pour construire ces nouveaux modèles stellaires, une approche transdisciplinaire est nécessaire, combinant astrophysique, dynamique des fluides, modélisation mathématique et calcul scientifique à haute performance. » confirme Michel Rieutord de l’Université de Toulouse, expert mondialement reconnu en dynamique des fluides astrophysiques et pionnier dans le développement de modèles bidimensionnels des étoiles en rotation.
Stéphane Mathis du CEA/Irfu, reconnu internationalement en Astrophysique théorique pour l’étude des étoiles et des planètes, explique : « Avec notre projet, nous développerons une nouvelle théorie généralisée dite de champ moyen pour l’ensemble des processus de transport dans les fluides stellaires en rotation magnétisés. Elle constituera une des fondations essentielles des modèles numériques de structure et d’évolution stellaires développés dans 4D-STAR qui devront vérifier l’ensemble des contraintes obtenues grâce à l’astérosismologie. Après deux ans de préparation conjointe, nous sommes heureux de commencer notre aventure 4D-STAR et d’offrir nos outils à la communauté de l’astrophysique. »
Ce projet 4D-STAR s'inscrit dans le cœur de métier de l’Irfu dans le cadre de la préparation et de l'exploitation scientifique de la mission spatiale PLATO de l'ESA, dans laquelle il est fortement impliqué, ainsi que dans le développement du calcul haute performance au sein du CEA.
Contact Irfu : Stéphane Mathis
Communiqué de presse de l'ERC du 25 octobre 2022: Twenty-nine groups backed by ERC Synergy Grants to tackle complex research questions