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Evolution stellaire en rotation rapide – ESRR

Evolution stellaire en rotation rapide

Le projet a pour but de réaliser des modèles bidimensionnels d'étoile en rotation rapide incluant leur évolution temporelle. Il se propose aussi de fournir les outils nécessaire à l'interprétation des données interférométriques, spectroscopiques et sismique obtenues sur ce type d'étoiles.

Comprendre les étoiles en rotation rapide: un enjeu pour l'interprétation des données d'observation et pour la compréhension de la réionisation de l'Univers

Le but de ce projet est la construction de modèles d'étoiles capables <br />de gérer à la fois la rotation rapide et l'évolution temporelle <br />séculaire, avec un développement parallèle des outils utiles à la <br />spectroscopie, l'interférométrie et la sismologie permettant <br />l'exploitation complète des données disponibles sur ces étoiles. <br /> <br />Il s'intègre dans la valorisation des données des grands projets <br />de l'astrophysique comme les missions CoRoT (sismologie stellaire) ou <br />Gaia (paramètres fondamentaux des étoiles), ou encore dans le retour <br />scientifique des grands instruments sol comme le VLTI (projets GRAVITY <br />ou MATISSE), et enfin dans la préparation de la mission PLATO (planètes <br />extra-solaires) pour l'obtention de modèles stellaires précis. <br /> <br />L'enjeux est de réussir la modélisation des étoiles en rotation très <br />rapide pour comprendre leur rôle dans l'évolution des galaxies ou des <br />systèmes planétaires. On rappelle que plus de la moitié des étoiles de <br />masse supérieure à 1.5 masse solaire sont en rotation très rapide. <br />C'est ainsi que plusieurs étoiles proches sont dans ce cas (Altair, Vega <br />par exemple) et pour lesquelles une modélisation fiable manque. C'est <br />aussi le cas de beaucoup d'étoile massives (masse supérieure à 8 <br />masses solaires) qui sont réputées être les «usines« à métaux <br />de l'Univers. La rotation y joue un rôle crucial notamment pour <br />les premières étoiles massives de l'Univers, c'est-à-dire celles qui <br />ont conduit à sa réionisation. En effet la rotation est un paramètre <br />essentiel qui module la durée de vie des étoiles et dans le cas de la <br />réionisation, elle en contrôle la durée.

Pour traiter les effets de la rotation d'une étoile de manière fiable
on doit abandonner la symétrie sphérique des modèles stellaires actuels.
La rotation déforme les étoiles qui sont alors de forme sphéroidale, et
génère l'apparition d'écoulements dans les zones radiatives
(écoulements baroclines) qui, en l'absence de de rotation, sont en
équilibre hydrostatique. Modéliser les étoiles en rotation nécessite
donc de prendre en compte des écoulements à grande échelle dont
l'impact est aujourd'hui mal compris. Inclure de tels écoulements
nécessite des modèles à au moins deux dimensions. La méthode retenue
considère donc des étoiles axisymétriques et permet la détermination de
la rotation différentielle et la circulation méridienne qui s'imposent
à l'étoile. Ces écoulements ne sont donc plus ad hoc comme dans les
anciens modèles 2D, mais résultent de la résolution des équations de
l'hydrodynamique. C'est le tour de force accompli lors de la
réalisation des modèles ESTER par Espinosa Lara & Rieutord (2013).
On s'appuit donc sur ces modèles pour tenir compte maintenant de
l'évolution temporelle. Lorsque l'évolution temporelle sera
correctement maîtrisée (c'est un des buts du projet), on pourra enfin
donner l'âge d'une étoile comme Véga avec plus de certitude.

Les résultats les plus spectaculaires du projets (actualisés à
septembre 2019) concernent l'interprétation de données observationnelles
de deux étoiles proches en rotation très rapide.

La première est l'étoile Sargas (theta Scorpii) où notre modélisation
a permis l'interprétation de données interférométriques issues du
VLTI ainsi que de données spectroscopiques de haute résolution
(Domiciano de Souza et al. 2018). Cette modélisation a permis de
découvrir que Sargas est une étoile géante, dont le rayon est
30 fois celui du soleil, avec une rotation très rapide ce qui est
exceptionnel pour des étoiles de cette catégorie. Mais son véritable
stade d'évolution ou son âge sont encore flous et seuls les modèles
bidimensionnels en cours de développement pourront résoudre cette
question.

La seconde étoile est Altair. Sa modélisation est la première du
genre à intégrer des données d'interférométrie, de spectroscopie
et de sismologie pour une étoile en rotation très rapide. Nos
résultats complètement originaux (Bouchaud et al. 2019) donnent des
valeurs précises à plusieurs paramètres fondamentaux d'Altair. De plus
ils permettent pour la première fois une interprétation à l’aide de
modèles bi-dimensionnels des fréquences d’oscillations acoustiques
d’une étoile en rotation rapide. Cette modélisation est tout à fait
hors de portée de la modélisation traditionnelle à une dimension.

Les développements futurs du projet vont s'orienter vers la recherche
d'une solution bidimensionnelle pour les zones convectives d'étoile en
rotation rapide. Le but est d'étendre la modélisation bidimensionnelle
des étoiles en rotation rapide vers les petites masses, notamment les
étoiles de type solaire, et vers les stades avancés en incluant
par exemple l'évolution sur la branche des géantes. Une autre perspective
est l'études des étoiles dite de première génération où la rotation joue
un rôle probablement important en particulier dans la capacité des
étoiles massives de cette époque à réioniser l'Univers jeune. Enfin, un
développement à réaliser est celui de la sismologie des étoiles de type
précoce en rotation rapide, qui représentent la moitié de l'ensemble,
car les données de ce type seront de plus en plus abondantes dans les
prochaines années suite aux missions TESS, puis PLATO.

1. Domiciano de Souza A., Bouchaud K, Rieutord M., Espinosa Lara F. and Putigny B. (2018), ``The evolved fast rotator Sargas: stellar parameters and evolutionary status from VLTI/PIONIER and VLT/UVES«, in A&A 619, A167
2. Bouchaud K., Domiciano de

A un moment de leur histoire la plupart des étoiles passent par une
phase de rotation rapide. Le but de ce projet est la construction de
modèles d'étoiles capables de gérer à la fois la rotation rapide et
l'évolution temporelle séculaire, avec un développement parallèle des
outils utiles à la spectroscopie, l'interférométrie et la sismologie
permettant l'exploitation complète des données disponibles sur ces
étoiles. Ce projet s'appuie sur la construction réussie du code ESTER
qui permet actuellement le calcul de modèles bidimensionnels d'étoile
en rotation sans évolution. Il s'intègre dans la valorisation des
données des grands projets de l'astrophysique comme les missions CoRoT
(sismologie stellaire) ou GAIA (paramètres fondamentaux des étoiles),
ou encore dans le retour scientifique des grands instruments sol comme
le VLTI (projets GRAVITY ou MATISSE), et enfin dans la préparation de
la mission PLATO (planètes extra-solaires) pour l'obtention de modèles
stellaires précis.

Coordinateur du projet

Monsieur Michel Rieutord (Institut de Recherches en Astrophysique et Planétologie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IRAP Institut de Recherches en Astrophysique et Planétologie
LAGRANGE (OCA/CNRS/UNS) LABORATOIRE LAGRANGE (OCA/CNRS/UNS)
LESIA Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique

Aide de l'ANR 263 341 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2016 - 48 Mois

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