Le pôle Étoile

Objectifs et thématiques du pôle

Le pôle est composé de deux équipes thématiques : SEISM (Sismologie pour l’Étude des Intérieurs Stellaires et leur Modélisation), et MagMaS (Magnetism & Massive Stars).

• L’équipe SEISM a pour objectif principal d’étudier la physique des intérieurs stellaires et d’en améliorer la description physique dans les modèles et codes stellaires.

Diagramme sismique des étoiles de faible masse évoluées

Evolution conjointe des propriétés de l’enveloppe stellaire, dont la densité est directement reliée à la grande séparation en fréquence (en abscisse), et du cœur radiatif sondé par la période (en ordonnée). Les différents stades évolutifs sont : (S) sous-géantes, (R) géantes rouges, (f,C,2,p2) étoiles de la branche horizontale brûlant l’hélium de leur cœur, (A) étoile de la branche asymptotique ayant épuisé l’hélium du cœur. Crédit : Mosser et al. 2014

• L’équipe MagMas étudie les champs magnétiques stellaires et s’intéresse aux étoiles massives.

Projets instrumentaux : sol et spatiaux

Une partie importante du travail du pôle Étoile est consacrée à des missions spatiales ou à des grands programmes d’observations au sol. L’obtention de données pour la sismologie requiert, au sol comme dans l’espace, des projets d’envergure internationale.

Après avoir développé comme PI le projet CoRoT (COnvection, ROtation et Transits planétaires) porté par le CNES, l’équipe SEISM joue un rôle moteur dans le projet spatial PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars) de l’ESA qui devrait être lancé en 2026. Il en va de même pour la caractérisation des champs magnétiques stellaires avec les projets MiMeS (Magnetism in Massive Stars) et BinaMIcS (Binarity and Magnetic Interaction in various classes of Stars) dans lequel l’équipe MagMaS a une forte implication.

L’équipe SEISM coordonne également la contribution française au projet HAYDN, sélectionné en phase 0 pour la mission de classe moyenne M7 du programme CosmicVision de l’ESA. HAYDN étudiera l’intérieur des étoiles, la formation des amas stellaires et l’histoire de la Voie Lactée. La sélection en phase A interviendra fin 2023 pour un éventuel lancement en 2037.

Le LESIA participe à ces projets en apportant ses compétences en physique stellaire et astérosismologie ou encore pour la conception du logiciel de bord, de l’électronique, l’analyse thermique, ainsi que le segment sol.

Mode d’oscillation stellaire

L’astérosismologie étudie les oscillations des étoiles, qui génèrent de petites variations d’amplitude des courbes de lumière qui sont analysées dans l’espace de Fourier.

Crédits : ESA

Acquisition des données

L’équipe SEISM est fortement impliquée dans la préparation de la mission PLATO qui a été sélectionnée en 2014 par le Comité du programme scientifique de l’ESA dans le cadre de son programme Cosmic Vision. Le lancement est prévu pour 2026.

Ce télescope spatial permettra de découvrir et de caractériser des systèmes planétaires comparables au Système solaire. Le responsable de la définition de l’ensemble des algorithmes de traitements sol et bord, Reza Samadi, et la responsable du groupe de physique stellaire en charge de spécifier la caractérisation des étoiles de PLATO, Marie-Jo Goupil font aussi partie de l’équipe SEISM. Cette mission, tout comme CoRoT, cherchera à détecter des planètes extrasolaires.

Simultanément et au moyen de la sismologie, elle aura aussi pour objectif d’étudier et de caractériser les étoiles hôtes. PLATO est un projet européen ambitieux faisant intervenir une grande partie de la communauté stellaire européenne.

Vue d’artiste de PLATO

PLATO et ses 26 caméras.

Crédits : ESA

La co-PI du projet international MiMeS, Coralie Neiner, est membre de l’équipe MagMaS. Ce projet se situe à l’interface des 2 thématiques de MagMas, puisqu’il s’agit d’étudier le magnétisme des étoiles massives via 3 grands programmes d’observation au CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope), au TBL (Télescope Bernard Lyot au Pic du Midi) et à l’ESO.

De même, Coralie Neiner est co-PI du projet international BinaMIcS et la PI, Evelyne Alecian, est chercheuse affiliée au pôle Étoile. Ce projet étudie le champ magnétique des étoiles binaires spectroscopiques via deux grands programmes d’observations spectropolarimétriques [1] au CFHT et au TBL. De plus, Coralie Neiner est la PI du relevé spectropolarimétrique des cibles de la constellation de nano-satellites BRITE (BRIght Target Explorer). Ce programme mesure le champ magnétique des 600 étoiles du ciel jusqu’à la magnitude [2] V=4 avec les 3 spectropolarimètres haute-résolution disponibles au monde : Narval au TBL, ESPaDOnS au CFHT et HarpsPol à l’ESO. Ces cibles sont parallèlement étudiées en sismologie par la constellation BRITE.

Les projets MiMeS et BinaMIcS se prolongent aujourd’hui dans la collaboration internationale MOBSTER (Magnetic OB[A] Stars with TESS : probing their Evolutionary and Rotational properties), dont l’objectif est l’étude du magnétisme des étoiles massives, à la fois en spectropolarimétrie et en photométrie, grâce au satellite TESS. Enfin, l’équipe MagMaS mène deux autres projets : Arago UVIMag, une mission spatiale de spectropolarimétrie UV et visible pour l’étude dynamique 3D des étoiles et des planètes et le développement de l’instrument POLLUX. Il s’agit d’un spectropolarimètre à très haute résolution fonctionnant dans le domaine UV, pour la grande mission de la NASA Habitable Worlds Observatory (HWO, précédemment nommée LUVOIR), dont le lancement est prévu en 2042. La PI de ces projets spatiaux est Coralie Neiner.

Une forte interaction existe entre les deux équipes du pôle Étoile. Elle s’exprime au travers de méthodes comme la sismologie, mise en œuvre par le projet CoRoT, précurseur dans ce domaine, puis le projet Kepler de la NASA et le projet PLATO de l’ESA.

De plus, l’influence du champ magnétique sur la structure interne des étoiles est importante. Elle doit être prise en compte, en particulier dans la modélisation des processus de transport. En retour, une modélisation réaliste de la structure interne et l’évolution des étoiles validée sismiquement est indispensable à l’interprétation des données spectroscopiques et spectropolarimétriques.

Enfin, une participation du pôle Étoile à l’équipe transverse Exoplanètes est naturelle au travers de l’apport de la sismologie à la caractérisation des propriétés fondamentales (masse, âge...) des étoiles qui abritent des systèmes d’exoplanètes.

Modélisation et théorie

Simulation 2D des oscillations d’un modèle d’étoile de type gamma Dor

Simulation 2D des oscillations d’un modèle d’étoile gamma Doradus, représentant la carte de la perturbation en pression dans un plan méridien, d’un mode issu du couplage entre un mode inertiel pur piégé dans le cœur convectif et un mode gravito-inertiel établi dans l’enveloppe principalement radiative.

Crédits : Ouazzani et al. 2020

L’expertise de l’équipe SEISM se développe en physique stellaire. Plusieurs travaux sont mis en œuvre en parallèle dans l’équipe :

• Développements théoriques sur la turbulence stellaire, la rotation des étoiles au moyen de développements analytiques, de simulations numériques ;

• Développement de codes numériques : les développements théoriques sur la physique des intérieurs stellaires sont implémentés dans différents codes numériques ;

• Astérosismologie : les développements et améliorations de la description physique des étoiles doivent être testés par confrontation avec les observations. Les tests les plus rigoureux s’obtiennent au moyen de la sismologie. L’équipe se consacre donc aux développements de la théorie des oscillations, des diagnostics sismiques et à l’analyse des données sismiques fournies actuellement par les expériences spatiales CoRoT et Kepler.

L’équipe MagMaS poursuit deux objectifs principaux :

• L’étude des champs magnétiques stellaires et des magnétosphères, en particulier par la spectropolarimétrie et les observations UV et X ;

• L’étude de la physique des étoiles massives, c’est-à-dire de leurs rotation, pulsations, champ magnétique, structure interne et environnement circumstellaire via plusieurs techniques. En particulier, MagMas utilise l’astérosismologie, la spectroscopie multi-longueur d’onde, la spectropolarimétrie, la photométrie, ainsi que la modélisation.

Composition et caractéristiques du pôle

Le pôle Étoile comprend 13 chercheurs permanents : 3 chercheurs CNRS, 7 enseignants-chercheurs CNAP (Conseil National des Astronomes et Physiciens), 3 enseignants-chercheurs CNU (Conseil National des Universités), 5 étudiants en thèse, 3 post-docs et 4 chercheurs associés :

• Caroline Barban, maîtresse de conférence, OP-PSL
• Kévin Belkacem, chargé de recherche, CNRS
• Claude Catala, directeur de recherche, CNRS
• Marie Jo Goupil, astronome, OP
• Yveline Lebreton, astronome, OP
• Éric Michel, astronome, OP
• Richard Monier, professeur, SU
• Benoît Mosser, professeur, OP-PSL
• Coralie Neiner, directrice de recherche, CNRS
• Rhita-Maria Ouazzani, astronome, OP
• Jordan Philidet*, chargé de recherche, CNRS
• Daniel Reese, astronome, OP
• Réza Samadi, astronome, OP
• Didier Tiphène, astronome, OP

*Arrivée en octobre 2023

SEISM : Sismologie pour l’Étude des Intérieurs Stellaires et leur Modélisation

La sismologie stellaire est une thématique qui connaît actuellement un essor très important grâce aux observations des satellites CoRoT et Kepler. L’équipe SEISM du LESIA est pionnière dans le domaine et possède une expertise qui va de l’acquisition et l’analyse de données aux études théoriques et numériques.

La sismologie stellaire a connu un essor très important grâce aux observations des satellites CoRoT et Kepler. L’équipe SEISM du LESIA est pionnière dans le domaine et possède une expertise qui va de l’acquisition et l’analyse de données aux études théoriques et numériques.

Liste des docteurs récents et leurs sujets de thèse

• 2022 Pierre Houdayer, "Détermination des masses sismiques des étoiles de type F.G.K : exploitation de données Kepler et Tess et préparation scientifique de la mission Plato, mission M.S de l’ESA", sous la direction de Marie-jose Goupil et de Daniel Reese.

• 2022 Guillaume Dréau , "Étude sismique des géantes rouges sur la branche asymptotique", sous la direction de Benoît Mosser et de Yveline Lebreton.

• 2021 Jordan Philidet, "Étude du couplage entre convection turbulente et oscillations de type solaire", sous la direction de Marie-Jo Goupil et de Kevin Belkacem.

• 2021 Maëlle Le Gal, "Spectropolarimètres spatiaux haute résolution pour un grand domaine ultra-violet : conceptions et tests", sous la direction de Coralie Neiner et de Martin Pertenais.

• 2020 Kévin Bouchaud, "Évolution stellaire en rotation rapide. Apports de l’interférométrie et de l’astérosismologie", sous la direction de Armando Domiciano de Souza et de Daniel Reese.