La supergéante rouge Bételgeuse est l'une des étoiles les plus brillantes de notre ciel. Elle est une cible primaire pour les interféromètres d'aujourd'hui en raison de son grand diamètre, de sa proximité et de sa grande luminosité dans l'infrarouge. Un groupe des chercheurs internationaux dirigé par Andrea Chiavassa (Max Planck Institute for Astrophysics, Groupe de Recherche Astronomie et Astrophysique du Languedoc) et incluant des chercheurs de Montpellier et de Paris1 a montré comment caractériser pour la première fois la convection de Bételgeuse en comparant les simulations hydrodynamiques 3D avec les observations interférométriques du visible jusqu'à l'infrarouge. Cette étude permet de faire un pas en avant vers la compréhension du mécanisme de la perte de masse des supergéantes rouges, qui contribue largement à l'enrichissement chimique de notre Galaxie.
Taille caractéristique des cellules convectives.
Panneau en haut : carte d'intensité synthétique de Bételgeuse dans la bande H.
Autres panneaux : même carte filtrée à différentes fréquences spatiales dans le plan de Fourier
correspondant aux contributions des cellules convectives.
Les étoiles évoluées de masse comprise entre environ 10 et 25 masses solaires sont appelées supergéantes rouges. Elles sont les plus grandes étoiles de l'Univers. Elles ont une température de surface d'environ 4 000K (alors que le Soleil est 5 780K) et sont environ 1 000 fois plus grandes que le Soleil, ce qui fait d'elles les étoiles brillantes les plus connues. Ces propriétés extrêmes prédisent leur disparition parce qu'elles approchent de la fin de leur vie et sont condamnées à exploser en supernova.
Parmi elles se trouve Bételgeuse, dans la constellation d'Orion. Cette étoile est très bien visible à l'œil nu pendant les mois d'hiver car son rayon est d'environ 4-5 unités astronomiques (ce qui est supérieur à l'orbite de Jupiter).
Pour les supergéantes rouges, plusieurs mystères ne sont toujours pas résolus :
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le mécanisme de perte de masse, qui déverse d'énormes quantités de gaz dans les environs circumstellaires, n'est pas explicable;
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leur composition chimique est largement méconnu en raison des difficultés dans l'analyse des spectres et à cause des vigoureux mouvements convectifs.
La solution des ces mystères repose sur une approche théorique basée sur les simulations hydrodynamiques multidimensionnelles (et en particulier en trois dimensions, 3D) du mouvement du gaz dans les couches atmosphériques des étoiles, couplé avec la radiation. Dans ces modèles, la totalité de l'enveloppe de l'étoile est simulée, au cours du temps.
L'équipe de chercheurs menée par A. Chiavassa (MPA, GRAAL) et incluant des chercheurs du GRAAL et LESIA a comparé les observables interférométriques depuis le visible (voir la figure ci-dessus) jusqu'au proche infrarouge aux simulations hydrodynamiques. En se basant sur les prédictions des modèles (Chiavassa, Plez, Josselin & Freytag 2009, A&A, 506, 1351-1365), elle a démontré la présence de cellules convectives à la surface de Bételgeuse. Par ailleurs, ces astronomes ont déterminé la présence, dans l'infrarouge, de structures convectives de petite et moyenne échelle (5-15 mas, soit 5-25% du rayon stellaire) et d'une grande cellule convective d'environ 30 mas (60% du rayon stellaire, voir la figure ci-dessous). Ils ont également trouvé que les molécules d'H2O sont les principaux absorbeurs dans cette région du spectre et qu'elles contribuent aux petites structures convectives et au rayon apparent de Bételgeuse.
Carte d’intensité dans l’optique (environ 700 nm, bande moléculaire de TiO)
issue d’une simulation hydrodynamique de Bételgeuse.
Le point clé de cette recherche est la synergie entre la théorie et les observations : d'une part, elle comporte des simulations hydrodynamiques très réalistes et d'autre part il existe un grand nombre d'excellentes observations spectroscopiques, photométriques, interférométriques, et d'imageries.
Les supergéantes rouges apportent une contribution importante à l'enrichissement chimique de notre Galaxie parce qu'elles perdent d'énormes quantités de leur masse grâce à un processus inconnu. La convection vigoureuse qui les caractérise pourrait être à la base du mécanisme de la perte de masse et seules les simulations hydrodynamiques peuvent aider les astronomes à résoudre cette énigme.
Note:
(1) L'interférométrie est une technique qui combine la lumière de plusieurs télescopes, débouchant sur une vision aussi nette que celle d'un télescope géant d'un diamètre égal à la plus grande distance entre les télescopes utilisés. Si un objet est observé en plusieurs fois avec différentes configurations de télescopes, il est possible de reconstruire son image.
