Soutenance de thèse de Charly Pinçon le jeudi 28 septembre 2017

Titre de la thèse

"Du transport de moment cinétique par les ondes internes de gravité à l’heure de la sismologie stellaire"

Directrice de thèse

Marie-Jo GOUPIL (pôle Etoile)

Résumé

Les missions spatiales CoRoT (2006-2014) et Kepler (2009) ont procuré de nombreuses données sismiques pour des milliers d’étoiles de faible masse évoluées. Ces observations ont apporté de fortes contraintes sur l’intérieur de ces étoiles grâce notamment à la détection de modes mixtes, capables de sonder aussi bien leurs enveloppes externes que leurs régions centrales. L’étude de ces oscillations a en particulier montré que la rotation centrale augmente légèrement avec l’évolution dans les étoiles sous-géantes avant de diminuer sur la branche des géantes rouges. Ceci est en désaccord avec les prédictions des modèles stellaires et souligne la nécessité d’y inclure de nouveaux processus de transport de moment cinétique.

Dans une première partie, je m’intéresserai donc à l’influence des ondes internes de gravité sur l’évolution de la rotation des étoiles de faible masse. Ces ondes se propagent dans les zones radiatives stablement stratifiées et sont capables d’en modifier la vitesse de rotation. Or, l’efficacité du transport par les ondes dépend de leur amplitude et donc du mécanisme d’excitation. Alors que des modèles semi-analytiques considéraient seulement la pression turbulente dans la zone convective comme terme source, un modèle permettant d’estimer la quantité d’énergie transférée sous forme d’ondes lors de la pénétration de panaches convectifs en haut de la zone radiative sera présenté. Cela me permettra d’établir d’une part que la pénétration convective génère des ondes plus efficacement que la pression turbulente, et d’autre part que ces ondes sont capables de s’opposer à l’accélération de la rotation des couches internes induite par leur contraction, depuis la séquence principale jusqu’au début de la branche des géantes rouges. En particulier, je montrerai que les valeurs de la rotation interne observées dans les étoiles sous-géantes peuvent être interprétées comme le résultat d’un mécanisme de régulation contrôlé par ces ondes.

La deuxième partie de la présentation portera sur les diagnostics sismiques par les modes mixtes qui font le lien entre les caractéristiques du spectre d’oscillation d’une étoile et ses propriétés internes, et qui ont motivé le travail présenté dans la première partie. Mon attention se focalisera d’abord sur le facteur de couplage des modes mixtes qui décrit le degré d’interaction entre les oscillations dans la cavité centrale et dans l’enveloppe. Ce paramètre n’a été, jusque là, que très peu étudié. Une première étude observationnelle sur un large échantillon d’étoiles par Mosser et al. (2017b) sera détaillée. Les variations observées le long de l’évolution seront interprétées en terme de changements structuraux par le biais d’un modèle simplifié. Cette analyse montrera notamment la nécessité d’aller au-delà de l’approximation d’un faible couplage habituellement adoptée et de considérer le cas d’un fort couplage, tel que récemment proposé par Takata (2016a). Les prédictions de ce nouveau formalisme théorique seront alors testées et comparées aux prédictions obtenues avec un code d’oscillation sur des modèles d’étoiles évoluées. Enfin, je m’intéresserai au décalage en période des modes mixtes, lui aussi jusqu’ici peu étudié. Les travaux menés à ce sujet durant la thèse démontrent que la détermination simultanée de ce paramètre et du facteur de couplage permettrait de contraindre sans ambiguïté le contraste de densité entre le coeur et l’enveloppe ainsi que la largeur de la zone située entre le cavité interne et l’enveloppe externe, et fournirait donc de nouvelles contraintes sur les régions profondes des étoiles évoluées.

Le travail effectué durant cette thèse s’inscrit dans la préparation de futures missions comme par exemple la mission PLATO, qui aura comme objectif la détection et la caractérisation des systèmes planétaires. Cela nécessitera une caractérisation précise et pertinente de l’étoile hôte (masse, rayon, âge) et passera par le développement de diagnostics sismiques à la fois nombreux et robustes ainsi que par une modélisation réaliste de la vie des étoiles et de leur rotation. Les études menées durant ma thèse ont été motivées par de tels besoins et participeront à terme, j’espère, à atteindre ces objectifs.