L'étude, dirigée par le Dr Siemen Burssens de la KU Leuven, en Belgique, réalisée par une équipe internationale dont fait partie Nicolas Nardetto, chercheur CNRS au laboratoire Lagrange (Université Côte d’Azur – Observatoire de la Côte d’Azur – CNRS) et publiée dans Nature Astronomy, applique la technique de l'astérosismologie pour déterminer les paramètres fondamentaux (rayon, température, masse, âge et rotation) d'une étoile variable récemment découverte, connue sous le nom de HD 192575.
L'astérosismologie est l'étude des ondes à l'intérieur des étoiles et permet aux astronomes de sonder leur cœur, au-delà de leur surface opaque, levant ainsi d’une certaine manière le rideau d’une répétition générale pour découvrir ce qui se passe derrière. En effet, presque toutes les étoiles de l'Univers sont des étoiles variables, dont la luminosité intrinsèque change en raison des ondes générées à l'intérieur. Ces ondes sont affectées par la rotation interne et la structure du cœur de l'étoile, ce qui permet aux astronomes de comprendre les processus physiques qui en sont responsables en observant ses gracieuses pirouettes et ses jeux de lumière dans le ciel. Ces processus physiques restent actuellement non étalonnés, mais doivent être compris pour prédire le destin ultime de l'étoile.
Grâce à la variabilité découverte dans la courbe de lumière de haute précision et de longue durée recueillie par la mission TESS de la NASA (voir figure 1), le Dr Burssens et ses collègues ont obtenu une précision sans précédent dans la détermination de l'âge et de la masse de HD 192575 :
« Les télescopes spatiaux tels que TESS, et Kepler auparavant, sont capables d'observer les étoiles presque sans interruption pendant de longues périodes, ce qui en fait d'excellents outils pour les astéroséismologues », explique le Dr Siemen Burssens (KU Leuven). « TESS est particulièrement important pour l'astérosismologie des étoiles massives, car les télescopes spatiaux précédents évitaient généralement les étoiles massives brillantes ».
Les nouveaux outils de modélisation mis au point dans le cadre de cette étude ont permis à M. Burssens et à son équipe de mesurer la masse de HD 192575, qui est 12 fois supérieure à celle de notre Soleil, et son âge, qui est de 15 millions d'années. Cela fait de HD 192575 l'une des étoiles les plus rares et les plus massives jamais étudiées à l'aide de l'astérosismologie, car de telles étoiles ont une durée de vie extrêmement courte dans l'univers.
Par ailleurs, une contrainte fondamentale dans l’analyse a été de déterminer de manière indépendante, le rayon de l’étoile à partir d’une méthode à la fois puissante et simple, basée sur l’interférométrie. « L’interférométrie est une technique développée sur la Côte d’Azur il y a maintenant 50 ans et qui permet de mesurer l’angle sous lequel on voit les étoiles. Cet angle extrêmement petit, correspond à l’angle sous lequel on verrait un petit pois à l’autre bout de la France, où de manière équivalente, un homme sur la Lune. HD192575 étant trop petite angulairement pour être mesurée directement par interférométrie, nous avons utilisé un outil remarquable, une relation brillance de surface couleur, étalonnée par interférométrie, pour établir le rayon de l’étoile à environ 8 fois le rayon du Soleil », précise Nicolas Nardetto, chercheur au Laboratoire Lagrange.
Toutes ces contraintes ont permis de découvrir, de manière surprenante, que le cœur nucléaire de HD 192575 tourne environ 1,5 fois plus vite que ses couches superficielles, ce qui n'est pas prévu par les modèles actuels. Ces résultats sont essentiels pour comprendre les lois de la physique qui régissent l'histoire de la rotation interne de ces étoiles, depuis leur naissance jusqu'à leur mort dans des explosions de supernova, lorsqu'elles forment des étoiles à neutrons et des trous noirs.
« Comme un danseur de ballet qui tourne plus vite en rapprochant ses bras tendus de son corps, HD 192575 devrait avoir un noyau qui tourne plus vite à mesure qu'il vieillit et rétrécit. Cependant, le taux de rotation du noyau que nous mesurons aujourd'hui n'est pas aussi rapide par rapport à ses couches extérieures que le prévoient les modèles de rotation non magnétique », explique Dominic Bowman (KU Leuven), co-auteur de l'étude. « Cela nous a amené à nous demander quelle physique est responsable du profil de rotation mesuré de HD 192575. »
Figure 2. Le télescope Mercator à La Palma, en Espagne. Les données fournies par le télescope ont été essentielles
pour élucider la structure intérieure de HD192575. Source de l'image : www.mercator.iac.es (KU Leuven)
`Outre les nouvelles courbes de lumière de TESS, les données du télescope Mercator de la KU Leuven (voir figure 2) et de la mission spatiale Gaia de l'ESA ont été essentielles pour démêler le profil de rotation interne et déterminer une masse et un âge précis pour HD 192575. C'est la combinaison unique des différentes sources de données qui a permis à l'équipe de déduire avec précision composition chimique à l'intérieur de HD 192575 et d'en déduire la masse de son noyau, qui est un indicateur clé de l'évolution future d'une étoile massive et de l'explosion d'une supernova. Ceci est d'autant plus important que seule une poignée d'étoiles massives ont été étudiées par astérosismologie jusqu'à présent. La combinaison d'une masse centrale précise et d'un profil de rotation fait de HD 192575 un point d'étalonnage unique pour la théorie de l'évolution stellaire.
« Bien que nous ayons pu fournir la première caractérisation astérosismique de HD 192575, il y a encore une quantité importante d'informations à analyser dans ses fréquences observées », a déclaré le Dr Siemen Burssens.
Mais le travail ne s'arrête pas là. La masse précise du noyau, l'âge et le profil de rotation de HD 192575 sont des données inestimables pour les modèles d'évolution stellaire, car ils permettent de contraindre les champs magnétiques intérieurs et les processus de transport, mais aussi pour les modèles d'évolution galactique. HD 192575 est pour l'instant unique dans ses propriétés, mais la mission TESS de la NASA fournit continuellement des données de haute qualité pour des milliers d'étoiles massives de masses et d'âges différents. Le nombre d'études astérosismiques sur les étoiles massives devrait augmenter considérablement dans les années à venir.
« Fournir une vue beaucoup plus claire de l'évolution des étoiles massives en utilisant les données TESS des étoiles variables est maintenant à portée de main grâce à notre étude pilote sur HD 192575 », conclut le Dr Dominic Bowman.
L'équipe dirigée par le Dr. Siemen Burssens (KU Leuven) comprend des chercheurs de Belgique, d'Espagne, de France, de Pologne et des États-Unis, et a été publiée dans Nature Astronomy le 22 juin 2023.
Soutiens
- Conseil européen de la recherche (ERC-AdG 670519 ; MAMSIE)
- Fondation flamande pour la recherche (1286521N, 11F7120N, et 1156923N)
- Conseil de la recherche de la KU Leuven (C16/18/005 ; PARADISE)
- Gouvernement espagnol Ministerio de Ciencia e Innovación (PGC-2018-0913741-B-C22 et PID2021-122397NB-C21)
- Agence canarienne pour la recherche, l'innovation et la société de l'information et Fonds européen de développement régional (ProID2020010016)
- Fondation nationale de la science (ACI-1663696)
- NASA (80NSSC20K0515)
- NCN polonais (2015/18/A/ST9/00578 et 2021/43/B/ST9/02972)
- Nationale de la Recherche (ANR-21-CE31-0018-02)
Références
L'étude est publiée sous le titre « A calibration point for stellar evolution from massive star asteroseismology » dans Nature Astronomy en date du 22 juin 2023.
Contact
Nicolas Nardetto, chercheur CNRS, au laboratoire Lagrange (Université Côte d’Azur – Observatoire de la Côte d’Azur – CNRS) - nicolas.nardetto@oca.eu.
