Inversion astérosismique de la stratification en carbone / oxygène des noyaux d'étoiles de faible masse évoluées – INSIDE

Certaines naines blanches et étoiles sdB, au centre de notre étude, développent des vibrations (ou oscillations) stellaires qui se propagent profondément à l’intérieur tout en restant observables en surface, par les variations de brillance qu’elles engendrent. Ces dernières sont captées depuis les observatoires au sol ou par les instruments spatiaux dédiés (en particulier les satellites Kepler et TESS). Les fréquences de ces vibrations dépendent de la structure de l’étoile, et sont notamment sensibles aux variations de composition chimique près du coeur. Dans ce projet nous avons amélioré nos outils pour exploiter ces données spatiales et sol et nous avons développé des modèles sismiques de nouvelle génération pour tenter d’extraire l’information sur la structure du noyau pour quelques cibles à fort potentiel. L’approche adoptée est une modélisation directe du spectre de fréquences couplée à une procédure d’optimisation globale permettant de déterminer, entre autres paramètres, les profils de composition chimique dans ces étoiles. Les nouveaux outils produits incluent des codes pour générer des profils ajustables s’inspirant des méthodes d’optimisation de forme utilisées par ailleurs dans l’industrie (par exemple en aéronautique), ainsi qu’une version améliorée du code LUCY, notre algorithme génétique dédié à l’optimisation multimodale capable de résoudre des problèmes complexes de ce type.

Entre autres résultats, le projet a permis la cartographie complète de la stratification chimique dans cinq naines blanches typiques. Nous y avons découvert que la fraction d’oxygène au centre est systématiquement plus élevée (d’environ 15%) qu’attendu selon les modèles standards d’évolution stellaire. De plus, la zone centrale issue de la phase antérieure de fusion de l’hélium dans le coeur est également 40 % plus massive. Nos calculs d’évolution avec le code STELUM montrent que ces différences sont explicables par le traitement du mélange à la frontière des coeurs stellaires durant cette phase évolutive, et en particulier par la survenue des « Breathing Pulses » dont l’existence est toujours débattue.

L'identification de mécanismes clefs permettant d'accorder les prédictions des modèles d'évolution stellaire avec les mesures sismiques obtenues sur la stratification interne des naines blanches ouvrent des pistes de recherche intéressantes. Notamment, l'existence des «breathing pulses«, dont le rôle nous paraît central, peut être testée davantage par différentes approches : les calculs d'évolution 1D sur la base de notre code STELUM, la modélisation hydrodynamique 3D des coeurs d'hélium en fusion, et la sismologie stellaire. Pour cette dernière, la mission TESS fournit des données sismiques pour un grand nombre d'étoiles sdB pulsantes. Il s'agit à présent d'identifier parmi celles-ci des cibles qui se trouvent dans un stade avancé du brûlage de l'hélium, pendant ou après la survenue attendue de breathing pulses, et de chercher les signatures sismiques de tels évênements. Nous disposons, à la fin du projet INSIDE, de tous les outils numériques et des moyens de calcul pour nous engager dans cette voie.

La cartographie interne des naines blanches a donné lieu à des publications importantes dans les grands journaux (Giammichele et al. 2018, Nature ; Charpinet et al. 2019A, ApJL ; Giammichele et al. 2022, Frontiers). Le sondage sismique du coeur d’hélium en fusion d’une étoile sdB a fait l’objet d’un highlight A&A (Charpinet et al. 2019b). Les implications sur la physique des coeurs d’hélium en fusion et leur évolution ont été discutées dans Giammichele et al. (2022, Frontiers). 15 articles et 22 communications en conférences sont connectés aux travaux effectués au cours du projet.

Dans ce projet, nous proposons de déterminer, de façon indépendante de l'évolution stellaire et de ses nombreuses incertitudes, la stratification radiale en carbone/oxygène dans le coeur des étoiles évoluées de faible masse. Cela concerne à la fois les étoiles de la branche horizontale brûlant de l'hélium dans leur coeur et les étoiles naines blanches. La stratification en carbone/oxygène dans le coeur de ces étoiles résulte de plusieurs mécanismes physiques à l'oeuvre pendant les phases ultimes de l'évolution stellaire. Nous pensons que cette stratification est modelée, au cours du temps, par le flash de l'hélium, par la convection, l'overshooting et la semi-convection dans la phase de brûlage de l'hélium, par l'évolution du brûlage en couche dans les phases AGB et post-AGB, et par le taux très incertain d'une réaction nucléaire en particulier : la réaction 12C(alpha,gamma)16O. Tous ces processus sont notoirement connus pour engendrer de nombreuses incertitudes et ils ne sont pas modélisés de façon fiable par les codes d'évolution stellaire actuels. Particulièrement révélateur, tous les codes actuellement sur le marché pour modéliser les phases ultimes prédisent des stratifications en C/O dans le coeur des naines blanches qui diffèrent de manière substantielle, et il n'existe a ce jour aucun moyen d'affirmer qu'un code fournit des profils plus réalistes que les autres (de fait, probablement aucun code ne prédit la véritable stratification dans ces étoiles). Cette fâcheuse situation limite sérieusement notre capacité à progresser dans la connaissance des phases ultimes de l'évolution stellaire, avec des conséquences néfastes pour d'autres domaines de l'astrophysique. Pour ce projet, nos "laboratoires" privilégiés seront les étoiles sous naines de type B (sdB), brûlant de l'hélium dans leur coeur et représentant une phase intermédiaire de l'évolution stellaire (la branche horizontale), et les étoiles naines blanches qui constituent le stade ultime pour la grande majorité des étoiles dans l'Univers. Les sdB et les naines blanches sont connues pour développer des oscillations non radiales incluant des modes g pouvant sonder très profondément l'étoile et permettant en particulier d'accéder a leur coeur par la technique de l'astérosismologie. Déduire de ces oscillations stellaires la distribution interne en C/O apportera de très fortes contraintes sur les processus clefs de physique stellaire qui façonnent cette stratification au cours de l'évolution. Cette information est également très importante pour dater les vieilles structures de la Galaxie en utilisant les naines blanches (la "white dwarf cosmochronology"), une méthode qui devrait connaitre prochainement un fort regain d'intérêt lorsque les données de la mission GAIA seront disponibles. Ce projet représente donc un défi important avec de fortes retombées attendues en physique stellaire et dans d'autres domaines de l'astrophysique.