Soutenance de thèse de Charlotte Gehan le 21 septembre 2018

Titre de la thèse

Evolution de la rotation du cœur des étoiles sur la branche des géantes rouges : des mesures à grande échelle vers une caractérisation du transport de moment cinétique

Directeurs de thèse

Benoît Mosser et Eric Michel (pôle Étoile du LESIA)

Résumé

L’astérosismologie est un outil puissant qui nous permet de sonder les intérieurs stellaires. Le principe est similaire à la sismologie terrestre : les ondes sismiques internes qui se propagent génèrent des oscillations stellaires, dont la détection donne des informations sur les conditions physiques régnant à l’intérieur des étoiles. Les missions spatiales de photométrie ultra précise CoRoT (CNES) et Kepler (NASA) nous ont apporté des données sismiques d’une qualité inégalée. La surprise est venue des géantes rouges, qui sont des étoiles évoluées de faible masse. En effet, le spectre d’oscillations de ces pulsateurs de type solaire ne présente pas seulement des modes de pression comme dans le cas du Soleil, mais également des modes mixtes qui consistent en un couplage entre les ondes de gravité qui se propagent dans l’intérieur radiatif et les ondes de pression qui se propagent dans l’enveloppe convective. Le caractère mixte de ces modes nous permet de sonder le cœur des géantes rouges, ce qui n’est pas le cas pour les étoiles sur la séquence principale comme le Soleil. Les géantes rouges représentent de ce fait une révolution en astérosismologie et un laboratoire idéal pour étudier les mécanismes physiques qui gouvernent les intérieurs stellaires profonds. La rotation, en particulier, impacte non seulement la structure stellaire en perturbant l’équilibre hydrostatique, mais également la dynamique interne des étoiles via le transport à la fois de moment cinétique et d’éléments chimiques. Les mesures de la rotation moyenne du cœur disponibles jusqu’ici ont montré que la rotation du cœur des géantes rouges ralentit alors qu’il se contracte dans cette phase évolutive. Il y a ainsi nécessairement un transport de moment cinétique important à l’intérieur des géantes rouges, mais les mécanismes physiques qui en sont à l’origine ne sont pas encore entièrement compris. En effet, les modèles d’évolution stellaire incluant différents mécanismes physiques pour le transport de moment cinétique prédisent des valeurs de rotation du cœur au moins dix fois supérieures aux valeurs mesurées.

Dans ce contexte, cette thèse vise à contraindre l’évolution de la rotation du cœur en lien avec diverses propriétés stellaires comme la masse et la métallicité. Compte tenu des milliers de spectres d’oscillations obtenus par le satellite Kepler, et afin de préparer l’analyse des futures données du satellite Plato (ESA, 2026) qui représentent des centaines de milliers de géantes rouges potentielles, j’ai développé une méthode permettant de mesurer de manière aussi automatique que possible la rotation moyenne du cœur des géantes rouges. Les mesures que j’ai obtenues pour près de 900 étoiles indiquent d’un côté que le taux de ralentissement de la rotation du cœur est plus faible que ce qui a été précédemment estimé, mais également que ce taux de ralentissement ne dépend pas de la masse stellaire, un résultat inédit. Afin d’interpréter les nouvelles contraintes observationnelles apportées par ces mesures en termes de transport de moment cinétique, j’ai ensuite entamé un effort de modélisation de l’évolution stellaire. Le but n’est pas d’identifier le ou les mécanismes physiques à l’œuvre, mais dans un premier temps d’estimer la quantité de moment cinétique qui doit être extraite localement et globalement du cœur, à différents moments de l’évolution sur la branche des géantes rouges, pour différentes masses stellaires, afin de reproduire les valeurs de rotation mesurées ainsi que l’évolution constante de la rotation du cœur qui est observée. Les modèles suggèrent que le taux d’extraction de moment cinétique doit augmenter avec le temps si l’on veut conserver un profil de rotation constant au cours du temps dans les régions de l’étoile qui sont en contraction, et que cette augmentation est moins importante lorsque la masse de l’étoile augmente.

Mors clés : Physique stellaire, astérosismologie, géantes rouges, rotation interne, transport de moment cinétique, traitement de données, modélisation