Vers une recherche systématique des champs magnétiques à l'intérieur des étoiles évoluées

Publié par Adrien le 05/05/2021 à 09:00
Source: CEA IRFU
Une collaboration internationale menée par une équipe du Département d'Astrophysique/Laboratoire AIM du CEA-Irfu a permit de prédire et de caractériser la signature attendue des champs magnétiques internes dans les étoiles grâce à leur sismologie - l'astérosismologie. Cette étude démontre que grâce aux excellentes données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) des satellites Kepler (NASA), TESS (NASA) et bientôt PLATO (ESA), nous sommes potentiellement en mesure de détecter les champs magnétiques dans le coeur des étoiles géantes rouges (qui sont les descendantes des étoiles de faibles masses telles que notre Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) et de masses intermédiaires inférieures à ~8 masses solaires). Les résultats sont publiés dans deux articles dans la revue spécialisée Astronomy & Astrophysics.


Figure 1: Scénario des champs fossiles entre la séquence principale (MS, état évolutif du Soleil) et la branche des géantes rouges (RG). Les régions roses et mauves représentent respectivement les régions radiatives et convectives. Les champs magnétiques fossiles stables sont représentés par les lignes bleues et rouges dans les intérieurs radiatifs des étoiles (pour leurs composantes dans le plan méridien (Sur la surface d'une sphère tournant autour d'un axe passant par son centre on peut tracer un...) et suivant la direction azimutale, respectivement). Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement...) en cours de formation durant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de sous-géante (SG) est représenté par les tourbillons bleus et rouges.

Prédire la détectabilité des champs magnétiques "fossiles" le long de l'évolution des étoiles

Les auteurs étudient le scénario des "champs fossiles", selon lequel les champs magnétiques générés par effet dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en...) dans les couches convectives des étoiles (zones où la stratification thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) n'est pas stable) sont conservés dans les intérieurs stellaires lorsque la convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) s'arrête. Ces champs magnétiques stables ainsi formés dans les régions radiatives des étoiles (zones où la stratification thermique du gaz est stable) sont présents à chaque étape ultérieure de leur évolution (voir figure 1). Cette étude permet l'estimation de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) attendue des champs magnétiques internes le long de l'évolution de l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) sous l'hypothèse des champs fossiles. Nous nous plaçons dans le cas où le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) est symétrique par rapport à son axe de rotation.

L'amplitude de tels champs magnétiques fossiles pourrait ainsi atteindre des valeurs supérieures à 0.1 Mega Gauss durant le stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe...) évolutif avancé des géantes rouges. Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), l'étude des oscillations des étoiles de cet âge (par astérosismologie) permet d'identifier les processus prenant place dans leur coeur. Ainsi, les auteurs démontrent que de tels champs magnétiques devraient impacter les fréquences des oscillations des étoiles géantes rouges de façon suffisante pour permettre leur détection dans les données du satellite (Satellite peut faire référence à :) Kepler. Cette étude permettra ainsi de reconnaitre la présence d'un champ magnétique interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) dans le cas où sa signature serait mise en évidence dans les données.

Caractériser l'amplitude du champ magnétique interne dans les étoiles

Ces travaux identifient le motif de fréquences que nous devrions observer si de tels champs magnétiques étaient présents dans les intérieurs stellaires. Les auteurs démontrent en effet que les fréquences des oscillations suivant habituellement un motif symétrique du fait de la rotation devraient être décalées de façon asymétrique vers les hautes fréquences en présence de magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...) interne (voir Figure 2).


Perturbation de fréquence induite par le magnétisme interne en fonction des fréquences propres des oscillations dipolaires (cf panneau de droite) calculées sans rotation ni magnétisme. La courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) grise pointillée représente la fonction ζ, indiquant la nature des modes d'oscillations (associés à la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) d'Archimède (Archimède de Syracuse (en grec ancien :...) si ζ~1 ou bien à la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) si zeta (ZETA est un système d'exploitation de la société allemande YellowTAB. Il est une évolution de...) petit)


Gauche: Effet schématisé de la rotation et du magnétisme interne sur la fréquence d'un mode d'oscillation dipolaire d'une géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...). La rotation transforme un unique mode d'oscillation en trois composantes symétriques, alors que la présence de champs magnétique interne brise cette symétrie.
Droite: Modes d'oscillation dipolaires (l=1) à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) d'une étoile selon l'ordre azimutal m considéré.

De plus, la détection de telles asymétries permettrait de remonter directement à l'amplitude du champ magnétique interne grâce à une formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) analytique validée par des calculs numériques complets. Une telle mesure serait d'une importance capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs,...) pour notre compréhension de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) interne des étoiles de type solaire, en particulier de leur faible rotation interne tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) le long de leur évolution dont un champ magnétique profond intense peut être la cause.

Cette étude combinant astérosismologie, développements théoriques et modélisation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) démontre la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de l'astérosismologie appliquée aux observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) des satellites Kepler, TESS et bientôt PLATO pour la compréhension de l'évolution et de la dynamique interne des étoiles.

Publications:

- "Magnetic signatures on mixed-mode frequencies. I. An axisymmetric fossil field inside the core of red giants" L. Bugnet, V. Prat, S. Mathis, A. Astoul, A. Augustson, R.A. García, S. Mathur, L. Amard, C. Neiner https://www.aanda.org/component/article?access=doi&doi=10.1051/0004-6361/202039159

- "Probing the internal magnetism of stars using asymptotic magneto-asteroseismology" S. Mathis, L. Bugnet, V. Prat, K. Augustson, S. Mathus and R.A. García https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2021/03/aa39180-20/aa39180-20.html

Contacts:

Lisa Bugnet, Stéphane Mathis, Rafael Garcia
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