LES SCIENCES DANS PLATO
L’astérosismologie
Étudier l’intérieur des étoiles
1983
Détection des modes en intensité sur le Soleil par Woodard et Hudson.
Début de l’astérosismologie
1995
Premières oscillations de type solaire détectées dans une autre étoile que le soleil, η Bootis, en spectroscopie, par la mesure des largeurs équivalentes des raies de l’hydrogène (Kjeldsen et al)
2001
Première détection indiscutable d’oscillations de type solaire en spectroscopie, par la mesure des vitesses radiales, dans une autre étoile que le soleil, α Cen A (Bouchy & Carrier)
L’ASTÉROSISMOLOGIE, QU’EST CE QUE C’EST ?
L’astérosismologie (ou sismologie stellaire) est l’étude des oscillations stellaires dues à des ondes se propageant à l’intérieur des étoiles.
Une étoile est une sphère contenant du plasma (gaz très chaud) en équilibre hydrostatique : les forces de gravité dues à la masse de l’étoile (pour le Soleil : environ 300 000 fois la masse de la terre sachant que la terre pèse environ 6 000 milliards de milliards de tonnes) tendant à faire s’effondrer l’étoile sur elle-même sont compensées / équilibrées par les forces de pression dues à des températures extrêmes (atteignant plusieurs millions de degrés au centre de l’étoile) tendant à faire dilater l’étoile. Mais cet équilibre est parfois rompu et l’étoile peut alors se mettre à osciller/vibrer.
L’étoile se comporte en fait un peu comme un instrument de musique ; c’est une cavité résonnante dans laquelle peuvent se propager différents types d’ondes (des ondes acoustiques à hautes fréquences, des ondes de gravité à plus basses fréquences). En étudiant la façon dont l’instrument de musique/l’étoile résonne, on peut en déduire les caractéristiques de l’instrument/l’étoile comme sa forme, sa taille ou encore sa structure interne. Un grand instrument/une grande étoile émet des sons plus graves qu’un petit instrument/une petite étoile.
En étudiant les oscillations de l’étoile on peut donc estimer ses paramètres globaux comme sa masse, son rayon mais aussi son âge ainsi que sonder sa composition interne. On peut aussi mesurer les mouvements de l’intérieur de l’étoile, par exemple la rotation qui peut être différente en divers endroits, et même parfois détecter le champ magnétique interne. Tout comme les géophysiciens utilisent les tremblements de terre pour sonder notre planète, les astrophysiciens utilisent les oscillations des étoiles pour sonder ces astres.
Les principales cibles de PLATO sont des étoiles de type solaire. Dans ces étoiles comme dans le soleil, ces oscillations sont générées par des mouvements turbulents dans la zone convective externe. Ce sont des ondes de type acoustique, pour lesquelles la pression joue le rôle de force de rappel, on parle de modes de pression ou modes p. La période caractéristique de ces oscillations est de l’ordre de 5 min. Elles sont de très faible amplitude, ce qui rend leur détection et leur mesure très difficile.
COMMENT OBSERVER LES OSCILLATIONS DES ÉTOILES ?
On ne peut pas détecter directement les « sons » émis par les étoiles car le son ne peut pas se propager dans le vide qui se trouve entre les étoiles et nous.
Les oscillations de l’étoile se traduisent à sa surface à la fois par de petits mouvements et par d’infimes variations de température. Ce sont ses phénomènes que nous mesurons par deux techniques :
- En spectroscopie (décomposition de la lumière selon les différents longueurs d’one, analogues aux couleurs de l’arc en ciel). Les mouvements de la surface de l’étoile décalent légèrement les longueurs d’onde par effet Doppler.
Pour des oscillations de type solaire (une étoile comme le Soleil): la surface bouge avec une vitesse de quelques cm/s correspondant à des mouvements à la surface de l’étoile de quelques dizaines de km (par comparaison le diamètre du Soleil est de 1 400 000 km)
- En photométrie, c’est-à-dire en mesurant le flux de photons au cours du temps. Les variations de température dues aux oscillations se traduisent par de petites variations du flux lumineux de l’étoile, que nous pouvons mesurer.
Pour des oscillations de type solaire (pour une étoile comme le Soleil) : les variations de luminosité sont de 1 pour 1 million correspondant à une diminution de la lumière de 1/100ème d’une seule ampoule de la Tour Eiffel.
🤔 Comment explorer les étoiles avec le son ?
🎧 Écoutez le son des étoiles
HISTORIQUE DE LA DÉTECTION ET DE L’INTERPRÉTATION DES OSCILLATIONS DU SOLEIL
Observations du Soleil
Lloyd Evans (Sacramento Peak Observatory, USA) et Raymond Michard (Observatoire de Paris) observent le Soleil pour étudier le phénomène des éruptions. Ils détectent aussi de curieux mouvements qui semblent à peu près périodiques avec une période autour de 5 minutes. Ce signal périodique est aussi observé par Robert B. Leighton (California Institute of Technology USA) et collaborateurs.
10 ans plus tard… le Soleil oscille !
10 ans plus tard, Roger Ulrich (University of California, USA) ainsi que John Leibacher et Robert Stein (Harvard college Observatory, USA) donnent une explication théorique à ces mouvements périodiques autour de 5 minutes: notre Soleil oscille ! Il se comporte comme un instrument de musique dans lequel se propagent des ondes de type acoustiques.
La confirmation de la périodicité du signal du Soleil
Une équipe franco-américaine (Eric Fossat, Université de Nice et Martin Pomerantz, University of Delaware, USA) organise une expédition au pôle Sud. Ils observent le Soleil pendant 5 jours sans interruptions pendant le jour polaire. Ils confirment la périodicité du signal autour de 5 minutes et montrent qu’il s’agit d’un signal complexe composé de plusieurs périodes autour de 5 minutes correspondant à des fréquences autour de 3 mHz.
DÉTECTION DES OSCILLATIONS DANS D’AUTRES ÉTOILES QUE LE SOLEIL
Détecter des oscillations similaires à celles observées pour le Soleil dans d’autres étoiles est difficile car le signal recherché est très faible : les variations recherchées sont infimes, et on reçoit en moyenne 100 milliards de fois moins de photons que pour le soleil et l’atmosphère terrestre perturbe la lumière des étoiles.
Au cours des années 90, des instruments au sol ont été utilisés pour détecter des oscillations de type solaire dans d’autres que le Soleil. Mais c’est au début des années 2000 avec le lancement de la mission spatiale CoRoT (CNES, 2006-2014) que l’étude précise des oscillations de type solaire dans des étoiles lointaines a commencé. D’autres missions spatiales ont ensuite été lancées Kepler/K2 (NASA, 2009-2018) et TESS (NASA, lancée in 2018) permettant d’étendre le nombre d’étoiles observées.
La mission spatiale CoRot, pionnière dans l’étude des oscillations de type solaire dans des étoiles autres que le Soleil
Née d’une initiative française, CoRoT est une mission pionnière en sismologie stellaire et en recherche d’exoplanètes.
Lancé le 27 décembre 2006, le télescope spatial CoRoT (Convection, Rotations et Transits planétaires) a observé en continu et pendant de très longues durées (jusqu’à 6 mois) des champs d’étoiles de la Voie lactée. Alors inédite, cette méthode d’observation a permis de détecter plusieurs centaines de candidates planètes extrasolaires dont 34 ont été confirmées et étudiées en détail à ce jour, de déterminer la structure, le fonctionnement interne et l’âge de milliers d’étoiles. Au cours de ses 2729 jours en orbite, à près de 900 km d’altitude, CoRoT aura en tout collecté près de 160 000 “courbes de lumière” (variation au cours du temps de l’éclat d’une étoile).
L’ASTÉROSISMOLOGIE AVEC PLATO
Avec la mission PLATO, nous pourrons étudier les variations de luminosité des étoiles à un niveau de précision qui n’était pas possible auparavant pour d’aussi grands échantillons, comptant des dizaines de milliers d’étoiles.
Dans la mission PLATO, cette science permettra de mesurer les caractéristiques des étoiles pour lesquelles ces oscillations seront détectées, et donc en particulier d’en déduire les caractéristiques des planètes orbitant autour de certaines d’entre elles. Cela répondra à un objectif principal de PLATO qui est de caractériser précisément les exoplanètes découvertes et leurs étoiles-hôtes, en mesurant leur masse, leur rayon, leur âge et en déterminant certains détails de leur structure interne.
La caractérisation de dizaines de milliers d’étoiles par l’astérosismologie permettra de progresser dans la compréhension de l’évolution stellaire en général, cette connaissance améliorée sera appliquée entre autres aux étoiles-hôtes des exoplanètes détectées.
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