LESIA - Observatoire de Paris

Les pulsations dans les étoiles massives

Coralie Neiner , Evelyne Alecian — 2012-05-23T12:25:11Z

Un des objectif de l'équipe MagMaS est de comprendre les étoiles massives dans leur ensemble. En particulier elle a pour but de comprendre en détail les phénomènes qui se déroulent à l'intérieur des étoiles massives et leur impact sur leur environnement circumstellaire. Le seul moyen de sonder l'intérieur des étoiles est d'étudier leurs pulsations.

Les étoiles massives à certaines températures bien connues se transforment en grosse caisse de résonance. Les vibrations que l'on détecte à la surface de ces étoiles ont des caractéristiques (amplitude, fréquence) qui sont très dépendantes du milieu qu'elles ont parcourues c'est-à-dire de la structure interne de ces étoiles.

L'équipe MagMaS est spécialiste de l'étude des pulsations des étoiles massives. En particulier elle s'intéresse à l'information que fournit l'étude astéroséismologique des étoiles Be pour comprendre ce qu'on appelle le "phénomène Be"

Le phénomène Be

L'équipe MagMaS étudie les pulsations et les intérieurs des étoiles Be via des mesures photométriques spatiales très précises, obtenues notamment par le satellite CoRoT (voir le site du groupe CoRoT Be), et des mesures spectroscopiques à haute résolution, obtenues par exemple avec les instruments Sophie à l'OHP, Narval au TBL ou HARPS à l'ESO. Ces données photométriques et spectroscopiques permettent d'étudier les modes de pulsations excités dans les étoiles Be et leurs variations d'amplitude, ainsi que leur lien avec le déclenchement d'éjections de matière de la surface de ces étoiles vers leur environnement circumstellaire. Ces éjections de matière, appelées "phénomène Be", sont à l'origine de la présence d'un disque de gaz autour des étoiles Be et sont longtemps restées un mystère inexpliqué. CoRoT a permis de mettre en évidence la corrélation entre les pulsations et le phénomène Be, confirmant ainsi pour la première fois que ce sont les pulsations associées à la rotation très rapide des étoiles Be qui produisent le disque.

La connaissance des modes de pulsations, couplée à des modèles sophistiqués, permet également d'étudier les processus physiques à l'intérieur des étoiles Be, en particulier le transport de moment cinétique du coeur de l'étoile vers la surface pour modéliser le processus d'éjection de la matière. Ces études permettent aussi d'étudier les effets de la rotation rapide des étoiles Be sur le mélange interne et sur la taille de leur coeur. CoRoT a ainsi permis de démontrer que le coeur des étoiles Be est plus grand que celui des étoiles B (similaires aux étoiles Be mais sans disque).

Grâce aux études sismiques, et en particulier au satellite CoRoT, l'équipe MagMaS a pu identifier l'origine du phénomène Be et ainsi mettre un terme à une énigme scientifique vieille de 150 ans.

Le magnétisme des étoiles

Claude Catala, Coralie Neiner , Evelyne Alecian — 2012-05-23T12:24:51Z

Le champ magnétique joue un rôle important dans la formation et l'évolution des étoiles. Pourtant, il est encore rarement pris en compte dans la modélisation que l'on en fait, d'une part à cause de la complexité des phénomènes qui lui sont associés, et d'autre part parce que, à l'exception notable du Soleil, nous n'avons que peu de données d'observation sur le magnétisme stellaire.

Nous sommes impliqués, en collaboration avec des collègues français, notamment de Toulouse, mais aussi des chercheurs du Canada, des Etats-Unis, de Suède, et d'Allemagne dans l'étude du magnétisme des étoiles autres que le Soleil. Notre étude se focalise principalement sur les étoiles massives, jeunes ou plus évoluées, mais aussi sur les étoiles de type solaire et sur les étoiles ayant une planète géante en orbite proche.

Comment détecter et mesurer le magnétisme stellaire

Si nous disposons de détails fins sur la structure de surface du Soleil, la plupart des étoiles, trop lointaines, ne sont que des points, non résolus même par les plus puissants télescopes modernes. Pour remplacer cette résolution spatiale, nous utilisons la rotation des étoiles, en étudiant la façon dont leurs spectres varient lorsque l'étoile nous présente successivement les différentes régions de sa surface.

Par ailleurs, le champ magnétique se traduit par une polarisation de la lumière dans les raies spectrales, par effet Zeeman. Cette polarisation peut être analysée à l'aide d'un spectropolarimètre. Là encore, la rotation de l'étoile peut être mise à profit, et les variations de la signature polarimétrique au cours du cycle de rotation permettent de remonter à la structure du champ magnétique qui en est responsable.

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Représentation schématique de la signature polarimétrique (paramètre de Stokes V) d'une tache magnétique à la surface de l'étoile en rotation. Dans le cas représenté à gauche (cliquer sur l'image), la tache, située à basse latitude, a une signature qui traverse tout le profil de la raie et qui n'est visible qu'environ la moitié du temps. Dans l'exemple de droite (cliquer sur l'image), où la tache est située à haute latitude, la signature est visible en permanence et ne parcourt qu'une fraction de la largeur de la raie. C'est ainsi que la position de la tache magnétique peut être déterminée. Des programmes de reconstruction sophistiqués permettent de déduire la distribution du champ magnétique de surface, en utilisant des observations de spectropolarimétrie couvrant toute les phases de la rotation de l'étoile.

Pour plus de détails

Les spectrolarimètres

Nous utilisons quatre spectropolarimètres :

L'instrument visiteur SemelPol, couplé au spectromètre UCLES de l'Anglo-Australian Telescope : héritier direct de l'instrument pionnier qui a permis de détecter la signature polarimétrique des tous premiers champs magnétiques stellaires, cet instrument est aujourd'hui le seul spectropolarimètre à haute résolution et grand domaine spectral dans l'hémisphère Sud. De constantes améliorations instrumentales, ainsi que le développement de techniques sophistiquées de traitement des données en font un instrument particulièrement efficace ;

Le spectropolarimètre ESPaDOnS, installé au Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT) à Hawaii depuis 2004, a été développé à Toulouse sous la responsabilité de Jean-François Donati. Il s'agit du spectropolarimètre le plus efficace aujourd'hui pour l'observation du magnétisme stellaire. Il fournit une couverture de tout le domaine visible avec un pouvoir résolvant de 68000. ESPaDOnS a conduit ces dernières années à un grand nombre de découvertes dans le domaine du magnétisme stellaire. Nous avons été impliqués dans certaines d'entre elles.

Le spectropolarimètre NARVAL, installé au Télescope Bernard Lyot (Pic du Midi). Il s'agit d'une copie d'ESPaDOnS.

Le polarimètre HARPSpol couplé au spectrographe HARPS du télescope de 3.6m de l'ESO (European Southern Observatory) depuis 2010. Il a été développé par nos collègues suédois N. Piskunov et O. Kochukhov de l'université d'Uppsala. HARPSpol nous permet d'obtenir des spectres polarisés sur tout le domaine visible avec un pouvoir résolvant d'environ 110000. Il est l'instrument idéal pour les étoiles en rotation faible dont les raies spectrales ne sont pas très larges, mais nous avons démontré récemment ses capacités à détecter des champs magnétiques aussi dans les étoiles à rotation rapide. C'est un instrument qui nous permet d'obtenir des données de même qualité qu'ESPaDOnS mais depuis l'hémisphère sud. Avec Narval, ESPaDOnS, et HARPSpol nous avons accès à tout le ciel aussi bien dans l'hémisphère nord que sud.

Le magnétisme des étoiles pré-séquence principale de masse intermédiaire

Parmi les étoiles de type spectral A et B de la séquence principale, environ 5% possèdent un champ magnétique, et montrent également d'importantes anomalies d'abondance à leur surface. Ce sont les étoiles chimiquement particulières de type Ap/Bp.

L'hypothèse la plus couramment admise est que le champ magnétique des étoiles Ap/Bp est fossile, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une relique du champ présent dans le milieu progéniteur de l'étoile, amplifié lors de la contraction initiale au moment de sa formation. Dans ces conditions, les progéniteurs des étoiles Ap/Bp, encore dans la phase pré-séquence principale, doivent également être magnétiques.

Nous avons recherché et découvert des champs magnétiques dans les étoiles pré-séquence principale de masse intermédiaire, appelées étoiles Ae/Be de Herbig, dans des proportions compatibles avec celles des étoiles Ap/Bp sur la séquence principale. Ce résultat apporte donc une confirmation de l'hypothèse des champs fossiles pour ces étoiles.

Nous étudions actuellement l'évolution de ces champs magnétiques et de la rotation de ces étoiles pendant la phase pré-séquence principale en les mesurant dans des étoiles membres d'amas ouverts d'âges variés.

: (cliquer pour agrandir)

La signature polarimétrique du champ magnétique de l'étoile de Herbig HD 200775 est visible sur les tracés étiquetés "Stokes V" sur cette figure. La signature en Stokes V mesure la polarisation circulaire dans les raies spectrales induite par l'effet Zeeman magnétique. On constate une variation du profil de la signature en Stokes V au cours du temps, due à la rotation de l'étoile. L'analyse de cette signature et de sa variation au cours de la rotation permet de déterminer l'intensité du champ magnétique et sa topologie, ici approximativement dipolaire.

MiMeS, le magnétisme des étoiles massives

Le but principal du programme MiMeS est d'exploiter les caractéristiques uniques des données d'Espadons (au CFHT), Narval (au TBL) et HARPSpol (à l'ESO) pour obtenir des informations critiques manquantes sur les propriétés magnétiques peu étudiées des étoiles massives, pour confronter les modèles et guider la théorie. Les objectifs scientifiques sont :

Identifier et modéliser les processus physiques responsables de la génération des champs magnétiques dans les étoiles massives.
Observer et modéliser en détail l'interaction entre les champs magnétiques et les vents des étoiles massives.
Étudier le rôle du champ magnétique dans la modification de l'évolution rotationnelle des étoiles massives.
Étudier l'impact des champs magnétiques sur l'évolution des étoiles massives et l'évolution des champs eux-mêmes. En particulier, nous explorerons la connexion entre les champs magnétiques des étoiles massives non-dégénérées et ceux des étoiles a neutrons, avec en conséquence des contraintes sur l'évolution stellaire, l'astrophysique des supernovæ et des gamma-ray bursts.

Le programme MiMeS représente un effort unanime d'une équipe internationale de chercheurs reconnus, principalement français et canadiens. Trois grands programmes de temps d'observations ont déjà été alloués à MiMeS : 640 heures sur Espadons au CFHT pour les semestres 2008B à 2012B, 590 heures sur Narval au TBL de 2010A à 2012B, et 290 heures sur HARPSpol a l'ESO de 2011A à 2012B. Cette immense base de mesures précises du spectre optique et des champs magnétiques des étoiles massives représente le cœur du programme MiMeS et sera utilisée pour contraindre les modèles d'origine du champ magnétique, la structure, la dynamique et les propriétés d'émission de leur magnétosphères, et l'influence des champs magnétiques sur la perte de masse et la rotation - et finalement sur l'évolution des étoiles massives.

Modèle de la magnétosphère d'une étoile massive. Les couleurs graduées de rouge représentent la matière distribuée autour de l'étoile et confinée dans un disque par le champ magnétique. La surface de l'étoile est représentée en bleu, les lignes de champ en vert, l'axe de rotation de l'étoile en jaune et l'axe magnétique en rose. Les contraintes observationnelles du projet MiMeS permet de contraindre ces modèles appelés RRM (Rigidly Rotating Magnetosphere ou Magnétsophère en rotation solide).

Le LESIA est en charge du programme MiMeS pour les étoiles B pulsantes, Be et Herbig Be. Pour plus de détails voir le site MiMeS.

Le magnétisme des étoiles de type solaire

L'étude des étoiles autres que le Soleil peut nous renseigner sur le magnétisme de notre astre. En effet, l'observation d'étoiles magnétiques ayant des propriétés différentes de celles du Soleil (masse, âge, taux de rotation,...) permet d'étudier le magnétisme dans des conditions variées, et de comprendre le rôle de chacun des ingrédients que nous pensons essentiels à la génération et à l'émergence du champ magnétique : zone convective, rotation différentielle,...

C'est ainsi que nous sommes engagés dans une étude systématique du magnétisme des étoiles de type solaire, venant compléter un travail similaire mené à Toulouse. Une vingtaine d'étoiles ont ainsi été étudiées, apportant des éléments essentiels pour notre compréhension du magnétisme stellaire.

Le magnétisme des étoiles froides hébergeant des planètes géantes en orbite proche

Le champ magnétique est susceptible de jouer un rôle important dans l'interaction entre les planètes géantes en orbite proche (les fameux Jupiters chauds) et leurs étoiles-hôtes. Déjà, des indices sérieux de cette interaction ont été obtenus en remarquant que dans certains cas, l'activité magnétique de l'étoile semblait renforcée dans les régions situées à l'aplomb de la planète.

La première mesure d'un champ magnétique dans une étoile-hôte d'un Jupiter chaud, tau Bootis, est venue confirmer un comportement très particulier : une synchronisation de la rotation de l'étoile aux latitudes moyennes avec le mouvement orbital de la planète. Cette observation laisse augurer des interactions extrêmement complexes entre la structure magnétique de l'étoile et son compagnon, peut-être semblables à l'interaction de la magnétosphère de Jupiter avec son satellite Io, qui donne naissance à ce que nous appelons le "tore de Io".

Détection du champ magnétique de tau Bootis. A gauche, le profil en Stokes V (courbe du haut, magnifiée 500 fois) montre clairement la signature polarimétrique du champ. A droite, la composante radiale du champ magnétique, reconstruite à partir des spectres en polarisation observés à différentes phases de rotation. La planète, en rotation synchrone avec les latitudes moyennes de l'étoile, est face à la phase 0.5. Les composantes méridienne et azimutale du champ sont reconstruites également (non montrées ici). Cliquer pour agrandir.

Depuis ces observations obtenues en 2005, l'étoile tau Bootis a été ré-observée à maintes reprises, et ces nouvelles études, menées par une équipe dirigée par un chercheur de Toulouse, ont montré que son champ magnétique change de polarité environ tous les ans, soit 11 fois plus souvent que le Soleil (voir article). Ce cycle d'activité particulièrement rapide pourrait être relié à la forte rotation différentielle observée à la surface de cette étoile.

SPIRou, un spectropolarimètre infrarouge pour le CFHT

SPIRou est un instrument de nouvelle génération en cours de développement pour le CFHT, sur lequel il sera implanté en 2017. Il s'agit essentiellement d'une version dans l'infrarouge proche d'ESPaDOnS, avec une stabilité en vitesse radiale grandement améliorée (au niveau du m/s). Les objectifs scientifiques de SPIRou incluent l'étude du rôle du champ magnétique dans le processus de formation des étoiles et des planètes, ainsi que la recherche par vitesses radiales de planètes telluriques dans la zone habitable des étoiles de très faible masse.

L'instrument consiste en un spectrographe échelle cryogénique, alimenté par fibre optique depuis un polarimètre achromatique installé au foyer Cassegrain du télescope. Il fournit une couverture spectrale quasi-complète des bandes JHK, de 0.9 à 2.4 microns, à la résolution spectrale de 50000.

SPIRou sera développé sous la responsabilité du CFHT, en partenariat avec un consortium piloté par le LATT (Toulouse), mené par Jean-François Donati. La participation technique du LESIA à ce développement est en cours de discussion.

Principales publications du LESIA dans ce domaine

A high-resolution spectropolarimetric survey of Herbig Ae/Be stars. I. Rotation, E. Alecian et al., MNRAS sous presse (2012)

A high-resolution spectropolarimetric survey of Herbig Ae/Be stars. I. Observations and measurements, E. Alecian et al., MNRAS sous presse (2012)

An investigation of the magnetic properties of the classical Be star ω Ori by the MiMeS Collaboration, C. Neiner et al., MNRAS 426, 2738 (2012)
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HD 96446 : a puzzle for current models of magnetospheres ?, C. Neiner et al., A&A 546, 44 (2012)
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Detecting and modelling the magnetic field of the β Cephei star V 2052 Ophiuchi, C. Neiner et al., A&A 537, 148 (2012)
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First HARPSpol discoveries of magnetic fields in massive stars, E. Alecian et al., A&A 536, L6 (2011)
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Magnetism and binarity of the Herbig Ae star V380 Ori, E. Alecian et al., MNRAS 400, 354 (2009)
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Discovery of magnetic fields in the very young, massive stars W601 (NGC 6611) and OI 201 (NGC 2244), E. Alecian et al., A&A 481, L99 (2008)
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Characterization of the magnetic field of the Herbig Be star HD200775, E. Alecian et al., MNRAS 385, 391 (2008)
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The magnetic field of the planet-hosting star tau Bootis, C. Catala et al., MNRAS.374, L42 (2007)
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The magnetic field of the pre-main sequence Herbig Ae star HD 190073, C. Catala et al., A&A 462, 293 (2007)
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PCA detection and denoising of Zeeman signatures in polarised stellar spectra, Martinez Gonzalez, M. J. et al., A&A 486, 637 (2008)
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MagMaS : Magnétisme et étoiles massives

2012-05-23T12:24:12Z

Au sein de l'équipe MagMaS (Magnétisme et étoiles massives ou "Magnetism and Massive Stars" en anglais), nous nous consacrons à deux thématiques de recherche. D'une part, nous étudions le champ magnétique de tout type d'étoiles : son origine, son interaction avec l'évolution, l'environnement et la structure interne des étoiles. D'autre part, nous nous intéressons à tous les processus physiques en jeu dans les étoiles massives et qui impactent leur formation, évolution, structure interne et environnement.

Le champ magnétique est un composant important de notre Univers et des objets dont il est peuplé. Il a été observé parmi des objets de natures différentes situés aussi bien près des limites de notre Univers qu'au beau milieu de notre galaxie, la Voie Lactée. Il a un impact important sur la formation, l'évolution et la structure de ces objets. En particulier, il joue un rôle essentiel dans la structure et la dynamique interne des étoiles, ainsi que sur l'évolution de la rotation et la perte de masse de ces objets. Il est donc crucial d'étudier les champs magnétiques des étoiles dans le but de contraindre les modèles de structure et d'évolution stellaire.

C'est un des objectifs que s'est fixé notre équipe en étudiant le magnétisme des étoiles grâce aux projets suivants :

MiMeS sur les champs magnétiques des étoiles massives ;
BinaMIcS sur les champs magnétiques des étoiles binaires ;
BritePol sur les champs magnétiques des étoiles très brillantes de tout type ;
LIFEsur l'évolution des étoiles chaudes magnétiques et des champs magnétiques dans ces étoiles ;
MOBSTER sur les champs magnétiques dans les étoiles pulsantes.

Les étoiles massives (de masses supérieures à 8 fois celle du Soleil) sont de puissants objets cosmiques qui ont une influence importante sur la structure et la composition des galaxies hôtes. En particulier, les réactions nucléaires qui se produisent dans leur cœur tout au long de leur vie, puis leur explosion en supernovæ à la fin de leur vie, ont deux conséquences principales :

elles sont à l'origine de l'enrichissement du milieu interstellaire en éléments chimiques plus lourds que l'hélium et ce phénomène donne naissance à des planètes telluriques ;
ces étoiles sont aussi très actives tout au long de leur vie, produisant des vents stellaires très puissants qui, avec leur explosion en supernova, sont à l'origine de la principale source d'énergie cinétique du milieu interstellaire.

Certaines de ces étoiles massives sont connues pour être pulsantes (par exemple les SPB – étoiles de type B à pulsation lente – β Cep et Be) et constituent donc de parfaits laboratoires pour étudier les intérieurs stellaires que l'on peut sonder grâce à leurs pulsations. Notre équipe s'est donc spécialisée dans l'étude des pulsations des étoiles massives, afin d'améliorer nos connaissances sur la structure et la dynamique interne des étoiles.

Enfin, à l'intersection de ces deux thèmes de recherches, notre équipe est en particulier spécialisée dans l'étude du champ magnétique des étoiles massives et la magnéto-astérosismologie.