Un récent travail théorique de Réza Samadi et ses coauteurs à l’Observatoire de Paris a permis de compléter et de renforcer la théorie de l’excitation, de nature aléatoire, des vibrations des étoiles. Ce processus a été généralisé à une description quelconque de l’état turbulent de leur zone convective. La comparaison entre observation et théorie, ainsi généralisée, permettra de mieux connaître le spectre turbulent des étoiles, et ce notamment grâce à la mission COROT.

La sismologie stellaire

Certaines étoiles sont sujettes à des variations périodiques et faibles de leur éclat ainsi que de la vitesse de déplacement de la matière stellaire à leur surface. Ces variations que l’on mesure à la surface des étoiles résultent de la propagation d’ondes oscillantes qui s’établissent naturellement dans la cavité résonnante que constitue l’étoile. Les conditions de réflexion de l’oscillation à la surface et de réfraction au centre contraignent les périodes des vibrations à des valeurs discrètes. On parle dès lors de modes propres d’oscillation que l’on peut rapprocher des modes propres d’un instrument de musique (Figure 1). Ces valeurs discrètes des périodes d’oscillations résultent des propriétés du milieu traversé. L’analyse des fréquences de ces oscillations permet donc de déterminer la structure de l’étoile. La sismologie stellaire (ou astérosismologie) consiste à étudier les propriétés de ces oscillations et constitue donc un formidable outil de sondage des intérieurs stellaires. Figure 1

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L’excitation des vibrations

Si les théories en astérosismologie permettent de prédire avec une grande précision les fréquences des oscillations stellaires, il n’en est pas de même pour leur amplitude. L’amplitude d’un mode résulte d’un équilibre entre excitation et amortissement, et la physique de ces processus demeure encore mal connue. Du fait de sa proximité, il a été possible de détecter et de mesurer sur le Soleil un très grand nombre de modes d’oscillations (plus d’1 million), caractérisés par des amplitudes extrêmement faibles (de l’ordre de 10-6 en fluctuation relative de luminosité). Depuis plus d’une trentaine d’années, on pense que les oscillations solaires sont excitées par les mouvements turbulents dans la zone convective du Soleil. Ces valeurs discrètes des périodes d’oscillations résultent des propriétés du milieu traversé. L’analyse des fréquences de ces oscillations permet donc de déterminer la structure de l’étoile. La sismologie stellaire (ou astérosismologie) consiste à étudier les propriétés de ces oscillations et constitue donc un formidable outil de sondage des intérieurs stellaires.

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Figure 2 Figure 3

La convection dans les étoiles

En effet, les étoiles de masses inférieures à 2 masses solaires sont dotées d’une zone convective supérieure, dans laquelle le transport de l’énergie rayonnée par l’étoile s’effectue principalement par convection. Ce milieu extrêment chaud et instable est le siège de mouvements incohérents d’un grand nombre d’éléments de matière. Ces éléments que l’on appelle tourbillons conférent à la zone convective un caractère fortement turbulent (Figure 2). Ces tourbillons forcent les modes propres d’oscillations et rendent le processus d’excitation très aléatoire : on parle d’ "excitation stochastique". On peut , de manière imagée, comparer l’excitation stochastique à l’action qui consiste à frapper un tambour à l’aide de baguettes (Figure 3). Dans cette analogie les baguettes jouent le rôle des tourbillons tandis que la peau du tambour s’identifie au milieu stellaire.

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Figure 4

Et demain ?

La mission COROT (Figure 4) dont le lancement est prévu en 2004, s’intéressera particulièrement à ces types d’étoiles. Pour cela, des objets de masse inférieure à 2 masses solaires (étoiles de type F et G) ont été choisis.

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Figure 3On peut , de manière imagée, comparer l’excitation stochastique à l’action qui consiste à frapper un tambour à l’aide de baguettes (Figure 3). Dans cette analogie les baguettes jouent le rôle des tourbillons tandis que la peau du tambour s’identifie au milieu stellaire.---- Références : Samadi R. & Goupil M.-J., ``Excitation of stellar p-modes by turbulent convection. I. Theoretical formulation``, Astronomy & Astrophysics, 2001, astro-ph/0101109. Samadi R., Goupil M.-J., Lebreton Y., ``Excitation of stellar p-modes by turbulent convection. II. The Sun ``, Astronomy & Astrophysics, 2001, astro-ph/0101111. Samadi R., Goupil M.-J., Lebreton Y., Baglin A., ``Oscillation power as a test of stellar turbulence : scanning the HR diagram ``, proceedings of the SOHO-10/GONG-2000 workshop, octobre 2000, astro-ph/0101129. Contact : Réza Samadi (Département DESPA, Observatoire de Paris) 

Dernière modification le 22 février 2013

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Stellar seismology

Some stars are prone to periodic and weak brightness and stellar matter surface velocity variations. These variations, measured on the stellar surface, result from the propagation of oscillating waves which naturally establish in the resonant cavity constituted by the star. Oscillation periods are forced to discrete values by surface reflexion and center refraction conditions. One then speaks of eigen modes of oscillation, very similar to the proper modes of a musical instrument (Figure 1). These discrete values result from the properties of the crossed medium. The analysis of their frequencies allows then to determine the stellar structure. Stellar seismology (or asteroseismology) consists in studying these oscillations properties and thus constitutes a formidable tool to probe stellar interiors. Figure 1

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The excitation of the vibrations

Where asteroseismology predicts stellar oscillations frequencies with a high degree of accuracy, it fails in determing their amplitude. The mode amplitude results from a balance between excitation and damping, and the physics of these processes still remains badly known. Because of its proximity, it was possible to detect and measure on the Sun a very great number of oscillation modes (more than 1 million), characterized by extremely low amplitudes (about 10-6 in relative luminosity fluctuation). Since more than about thirty years, solar oscillations are thought to be excited by the turbulent motions in the solar convective zone. These discrete values result from the properties of the crossed medium. The analysis of their frequencies allows then to determine the stellar structure. Stellar seismology (or asteroseismology) consists in studying these oscillations properties and thus constitutes a formidable tool to probe stellar interiors.

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Figure 2 Figure 3

Convection in stars

Stars lower than 2 solar masses possess an upper convective zone. In this zone, convection mainly drives the transport of the energy radiated by the star. This extremely hot and unstable medium is the site of incoherent motions of a great number of elements matter . These elements called eddies confer to the convective zone a strongly turbulent character (Figure 2). These eddies force the proper oscillation modes and make the excitation process random : it is named "stochastic excitation". Stochastic excitation is very close to the action of striking a drum with rod (Figure 3). In this analogy the rod would play the role of the eddies while the skin of the drum would be the stellar medium.

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Figure 4

And tomorrow ?

The COROT mission (Figure 4), whose launch is planned for 2004, is interested particularly in these types of stars. Thus, objects of mass lower than 2 solar masses (stars of F and G types) are selected.

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Figure 3Stochastic excitation is very close to the action of striking a drum with rod (Figure 3). In this analogy the rod would play the role of the eddies while the skin of the drum would be the stellar medium.

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References : Samadi R. & Goupil M.-J., ``Excitation of stellar p-modes by turbulent convection. I. Theoretical formulation``, Astronomy & Astrophysics, 2001, astro-ph/0101109. Samadi R., Goupil M.-J., Lebreton Y., ``Excitation of stellar p-modes by turbulent convection. II. The Sun ``, Astronomy & Astrophysics, 2001, astro-ph/0 101111. Samadi R., Goupil M.-J., Lebreton Y., Baglin A., ``Oscillation power as a test of stellar turbulence : scanning the HR diagram ``, proceedings of the SOHO-10/GONG-2000 workshop, octobre 2000, astro-ph/0101129. Contact : Réza Samadi (Département DESPA, Observatoire de Paris)

Dernière modification le 4 mars 2013