CE31 - Physique Subatomique, Sciences de l'Univers, Structure et Histoire de la Terre

Mieux comprendre l'évolution du moment cinétique dans les géantes rouges – BEAMING

BEAMING : Comprendre comment le moment cinétique est transporté dans les étoiles géantes rouges

Les mesures de rotation interne d'étoiles à divers stades d'évolution ont montré que le moment cinétique est redistribué de façon nettement plus efficace que ne le prédisent les modèles actuels. Avec le projet BEAMING, nous explorons l'hypothèse selon laquelle le champ magnétique interne est à l'origine de ce transport additionnel de moment cinétique dans les étoiles géantes rouges.

Enjeux et objectifs

Comprendre les effets de la rotation sur les étoiles est une des questions clé actuellement en physique stellaire. La rotation produit un mélange des éléments chimiques et modifie donc le rythme d'évolution des étoiles. Malgré cela, la rotation interne des étoiles et les processus qui y transportent le moment cinétique restent mal connus. La sismologie, qui consiste en l'étude des ondes qui se propagent dans les intérieurs stellaires, est le seul outil qui permette de sonder la rotation interne des étoiles. Une spécificité des étoiles sous-géantes et géantes rouges est que celles-ci oscillent suivant des modes dits « mixtes ». Ces modes sondent à la fois l'enveloppe (où ils se comportent comme des modes de pression) et le cœur (où ils se comportent comme des modes de gravité). La mesure sismique de la rotation interne des sous-géantes géantes rouges grâce aux modes mixtes a montré la nécessité d'invoquer un mécanisme de transport de moment cinétique efficace. Le but du projet BEAMING est de tester l'hypothèse (parmi les plus couramment avancées) selon laquelle le champ magnétique interne serait responsable de ce transport supplémentaire. Pour cela nous cherchons à répondre aux questions suivantes : <br />- Comment évolue la rotation interne des étoiles lors des phases de sous-géantes et de géantes rouges ? Quel est le temps caractéristique sur lequel le moment cinétique est redistribué dans ces étoiles ?<br />- Peut-on détecter d'éventuelles signatures de la présence d'un champ magnétique à l'intérieur des géantes rouges ? Si oui, quel est son impact sur la rotation interne ?<br />- D'un point de vue théorique, comment le champ magnétique interagit-il avec la rotation ? Si des instabilités magnétiques se produisent, quel est leur impact sur le transport de moment cinétique ?

Pour répondre à ces questions, plusieurs étapes sont nécessaires. Premièrement, nous utilisons la sismologie pour sonder la rotation interne des étoiles sous-géantes et géantes rouges au cours de leur évolution, c'est-à-dire pendant la phase de « jeune » sous-géante, lors de l'ascension de la branche des géantes et lors de la période de combustion d'hélium au cœur. L'utilisation des modes mixtes permet de comparer la rotation moyenne du cœur à celle de l'enveloppe et donc d'estimer l'efficacité du transport de moment cinétique. Nous améliorons les techniques d'inversions sismiques afin de mesurer plus systématiquement les rotations d'enveloppe et de sonder les profils de rotation au sein-même du cœur.

Nous recherchons également des signatures observationnelles de la présence de champ magnétique dans l'intérieur des géantes rouges. Cette quête se fait avec la spectropolarimétrie, pour détecter de forts champs de surface qui trahiraient l'existence de champs de cœur. Nous cherchons aussi à mettre en évidence le champ magnétique par son influence sur les fréquences d'oscillation des modes mixtes. Mesurer la rotation interne d'étoiles géantes magnétiques permettra en effet d'observer l'influence du champ magnétique.

Finalement, nous utilisons des simulations numériques pour modéliser les interactions entre le champ magnétique et la rotation dans les intérieurs stellaires. Nous recherchons les conditions dans lesquelles des instabilités magnétohydrodynamiques peuvent survenir. Le cas échéant, nous estimons leur efficacité à transporter du moment cinétique et nous cherchons à établir des prescriptions de ce transport qui pourront être utilisées dans les codes actuels. Cela permettra de produire de nouveaux modèles d'évolution stellaire incluant les effets du champ magnétique sur la rotation.

Recherche de champs magnétiques internes :

- Li et al. (2022), publication dans Nature : Nous avons obtenu la première détection directe de champ magnétique dans l'intérieur d'une étoile. Une telle détection était attendue de longue date. Nous avons ainsi pu mesurer la force du champ magnétique au cœur de 3 géantes rouges et obtenu des contraintes sur leur topologie. Cela ouvre un grand nombre de perspectives pour comprendre l'origine et l'évolution des champs magnétiques dans les étoiles, ainsi que leur rôle dans le transport de moment cinétique.
- Deheuvels et al. (2023) : Nous avons détecté de forts champs magnétiques au cœur de 11 géantes rouges en suivant une méthode de détection différente de Li et al. (2022).
- Li et al. (2023) : En appliquant la même méthodologie que Li et al. (2022), nous avons mené une recherche systématique de champ magnétique dans le cœur des géantes rouges observées avec Kepler. Nous avons identifié 10 géantes rouges magnétiques additionnelles qui nous ont permis d'explorer les variations de force du champ magnétique au cours de l'évolution.

Evolution de la rotation interne des géantes rouges:

- Eggenberger et al. (2019) : Nous avons montré que l'efficacité du transport de moment cinétique décroît au cours de l'évolution pendant la phase de sous-géante.
- Deheuvels et al. (2020) : Mesure sismique de la rotation interne de deux « jeunes » sous-géantes observées avec le satellite Kepler. Nous avons montré que ces deux étoiles sont en rotation quasi-solide, malgré la contraction du cœur pendant cette phase. Nos résultats suggèrent que le processus qui transporte du moment cinétique pendant la séquence principale perdure au début de la phase de sous-géante.

Interaction entre champ magnétique et rotation

- Gouhier, Lignières & Jouve (2021) : Simulations hydrodynamiques 2D (avec le code MagIC) où des états stationnaires ont été obtenus. Le principal résultat est que le profil de rotation peut varier en fonction de la latitude en plus du rayon, contrairement à ce qui est souvent supposé dans les codes d'évolution stellaire 1D.
- Gouhier, Jouve & Lignières (2022) : En étudiant les états stationnaires magnétohydrodynamiques dans des simulations 2D (MagIC), nous avons montré que le profil de rotation différentiel est modifié par le champ à grande échelle et peut devenir instable vis-à-vis de l'instabilité magnétorotationnelle (MRI). Nous avons proposé un scénario qui pourrait expliquer la rotation des jeunes géantes rouges.
- Meduri, Jouve & Lignières (2023) : Nous avons obtenu des instabilités MHD (MRI et de type Tayler) dans des simulations 3D. Pour la première fois, nous avons mis en évidence une action dynamo basée sur la MRI pour des paramètres représentatifs des géantes rouges. Une loi d'échelle pour l'efficacité du transport de moment cinétique par rapport à la stratification stable a été obtenue, rendant possible une implémentation de cette prescription dans les codes d'évolution stellaires 1D.

Recherche de champs magnétiques internes :

- Nous sommes en train de mener une étude théorique pour déterminer l'effet d'un champ magnétique non-axisymétrique sur les fréquences des modes mixtes. Cela permettra de rechercher d'autres géantes magnétiques et de déterminer à terme la prévalence de telles étoiles.

Evolution de la rotation interne des géantes rouges:

- Li et al. (à soumettre prochainement) : Nous avons obtenu des mesures de rotation d'enveloppe dans ~ 300 géantes rouges (de telles mesures existaient pour seulement une douzaine d'étoiles jusqu'alors). Cela permet d'étudier comment évolue le contraste de rotation coeur-enveloppe le long de la branche des géantes.
- Mosser et al. (à soumettre prochainement) : Nous avons étudié par la sismologie l'évolution de la rotation au cœur des géantes qui brûlent de l'hélium au cœur. Nous avons montré que dans ces étoiles, la rotation du cœur semble suivre celle de l'enveloppe (ce qui montre un transport efficace de moment cinétique) tout en conservant un niveau modéré (mais non-nul) de rotation différentielle.

Interaction entre champ magnétique et rotation

- Nous allons introduire dans des codes d'évolution stellaire 1D (en collaboration avec A. Palacios) les prescriptions issues des simulations 3D de Meduri et al. (2023).
- Le régime de l'instabilité de Tayler dans la configuration de Meduri et al. (2023) est en cours d'étude de façon plus détaillée. Une nouvelle prescription pour le transport de moment cinétique dans ce régime sera obtenue.

- Li, Deheuvels, Ballot, Lignières (2022) Nature 610, 43 : Magnetic fields of 30 to 100 kG in the cores of red giant stars
- Deheuvels, Li, Ballot, Lignières (2023) A&A 670L, 16 : Strong magnetic fields detected in the cores of 11 red giant stars using gravity-mode period spacings
- Li, Deheuvels, Li, Ballot, Lignières (2023) accepted in A&A : Internal magnetic fields in 13 red giants detected by
asteroseismology
- Deheuvels, Ballot, Eggenberger et al. (2020) A&A 641A, 117 : Seismic evidence for near solid-body rotation in two Kepler subgiants and implications for angular momentum transport
- Eggenberger, Deheuvels, Miglio et al. (2019) A&A 621A, 66 : Asteroseismology of evolved stars to constrain the internal transport of angular momentum. I. Efficiency of transport during the subgiant phase
- den Hartogh, Eggenberger, Deheuvels (2020) A&A 634L, 16: Asteroseismology of evolved stars to constrain the internal transport of angular momentum. III. Using the rotation rates of intermediate-mass stars to test the Fuller-formalism
- Deheuvels, Ballot, Gehan (2022) A&A 659A, 106 : Seismic signature of electron degeneracy in the core of red giants: Hints for mass transfer between close red-giant companions
- Li, Deheuvels, Ballot to be submitted to A&A : Measurements of internal rotation in ~ 2500 red-giant-branch stars
- Mosser, Dréau, Pinçon, Deheuvels et al. to be submitted to A&A : Frozen differential rotation in core-helium burning red giants
- Gouhier, Lignières & Jouve (2021), A&A, 648, 109: Axisymmetric investigation of differential rotation in contracting stellar radiative zones
- Gouhier, Jouve & Lignières 2022, A&A, 661, 119 :Angular momentum transport in a contracting stellar radiative zone embedded in a large-scale magnetic field
- Meduri, Jouve & Lignières 2023, submitted to A&A

Ce projet s’attaque au problème du transport de moment cinétique (MC) dans les intérieurs stellaires, qui constitue l’un des principaux défis de la physique stellaire moderne. Note mauvaise compréhension de la redistribution de MC dans les étoiles est un obstacle à la modélisation de la formation et de l’évolution stellaires. La sismologie des géantes rouges a récemment montré qu’elle pouvait contribuer de façon spectaculaire à progresser sur cette question. La détection dans les spectres d’oscillation des géantes rouges de modes dits mixtes, qui sondent à la fois le cœur et l’enveloppe, ont permis de mesurer par la sismologie la rotation interne de ces étoiles. Cela a apporté la preuve flagrante qu’un mécanisme de transport de MC efficace a lieu dans les sous-géantes et les géantes rouges, dont l’origine est inconnue. Dans ce projet, nous testerons en détail l’hypothèse d’une origine magnétique de ce transport de MC, qui est un des principaux scénarios avancés. Pour ce faire, nous utiliserons de façon complémentaire l’astérosismologie, la spectropolarimétrie et des simulations MHD multidimensionnelles de pointe.

Nous exploiterons les données sismiques d’une qualité sans précédent du satellite Kepler pour estimer précisément à quels moments de l’évolution et sur quelles échelles de temps la redistribution de MC se produit. Nous étudierons séparément le cas des étoiles de faibles masses et celui des étoiles de masses intermédiaires, car leurs évolutions post-séquence-principale diffèrent qualitativement. Par l’amélioration des méthodes d’inversion sismique, nous obtiendrons des contraintes aussi localisées que possible sur la forme des profils de rotation qui résultent du transport de MC. Ces observations apporteront des informations cruciales pour discriminer entre les différents mécanismes de transport potentiels.

Pour tester plus particulièrement l’hypothèse d’un transport de MC d’origine magnétique, nous mesurerons par la sismologie les profils de rotation de géantes rouges Kepler pour lesquelles un champ magnétique interne aura pu être détecté et caractérisé (amplitude et topologie). Par des observations spectropolarimétriques, nous identifierons parmi les cibles de Kepler des descendantes d’étoiles Ap, qui possèdent un fort champ magnétique interne durant la séquence principale. Nous rechercherons également la signature sismique de champs magnétiques internes dans les géantes rouges de Kepler en mesurant le splitting magnétique des modes d’oscillation.

Par des simulations numériques, nous étudierons l’interaction entre la rotation différentielle et le champ magnétique dans les géantes rouges. On s’intéressera d’abord à la rotation différentielle produite par la contraction du cœur et l’expansion de l’enveloppe. En introduisant le champ magnétique, nous déterminerons ensuite les conditions dans lesquelles différents types d’instabilités MHD peuvent se produire dans l’intérieur radiatif des géantes rouges et nous estimerons précisément leur efficacité à transporter du MC. Cela nous permettra de proposer des prescriptions reposant sur des bases physiques solides pour le transport de MC magnétique, qui seront incorporées dans une nouvelle génération de modèles d’évolution stellaire 1D. Nous réaliserons des comparaisons directes entre les prédictions de ces nouveaux modèles et les profils de rotation des géantes mesurés sismiquement. Les géantes Kepler pour lesquelles nous aurons pu mesurer l’intensité et la topologie du champ magnétique interne apporteront les tests les plus critiques de l’origine magnétique du transport de MC dans les géantes rouges.

Coordination du projet

Sébastien Deheuvels (Institut de recherche 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 recherche en astrophysique et planétologie

Aide de l'ANR 320 727 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2019 - 48 Mois

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