Des géants tremblants pourraient résoudre les mystères du magnétisme stellaire | Quanta Magazine

Notre planète est condamnée. Dans quelques milliards d'années, le soleil épuisera son hydrogène et se transformera en une géante rouge - une étoile si grosse qu'elle brûlera, noircira et engloutira les planètes intérieures.

Alors que les géantes rouges sont une mauvaise nouvelle pour les planètes, elles sont une bonne nouvelle pour les astrophysiciens. Leurs cœurs détiennent les clés pour comprendre une gamme de corps stellaires, des protoétoiles naissantes aux naines blanches zombies, car au plus profond d'eux se trouve une force invisible qui peut façonner le destin d'une étoile : le champ magnétique.

Les champs magnétiques près des surfaces des étoiles sont souvent bien caractérisés, mais ce qui se passe dans leurs noyaux est pour la plupart inconnu. Cela change, car les géantes rouges sont particulièrement adaptées pour étudier le magnétisme au plus profond d'une étoile. Pour ce faire, les scientifiques utilisent les tremblements d'étoiles - des oscillations subtiles à la surface d'une étoile - comme portail vers les intérieurs stellaires.

"Les géantes rouges ont ces oscillations qui vous permettent de sonder le noyau de manière très sensible", a déclaré Tim Literie, un astérosismologue à l'Université de Sydney qui étudie les étoiles géantes rouges.

L'année dernière, une équipe de l'Université de Toulouse a décodé ces oscillations et mesuré les champs magnétiques à l'intérieur un trio de géants rouges. Plus tôt cette année, la même équipe champs magnétiques détectés à l'intérieur de 11 autres géantes rouges. Ensemble, les observations ont montré que les cœurs des géants sont plus mystérieux que prévu.

Près du cœur d'une étoile, les champs magnétiques jouent un rôle crucial dans le mélange chimique à l'intérieur de l'étoile, qui à son tour affecte l'évolution d'une étoile. En affinant les modèles stellaires et en incluant le magnétisme interne, les scientifiques pourront calculer les âges stellaires avec plus de précision. De telles mesures pourraient aider à déterminer l'âge de planètes lointaines potentiellement habitables et à déterminer la chronologie de la formation des galaxies.

"Nous n'incluons pas le magnétisme dans la modélisation stellaire", a déclaré Lisa Bugnet, astrophysicien à l'Institut autrichien des sciences et technologies qui a développé des méthodes pour étudier les champs magnétiques à l'intérieur des géantes rouges. "C'est fou, mais ce n'est tout simplement pas là parce que nous n'avons aucune idée de son apparence [ou] de sa force."

Regarder le soleil

La seule façon de sonder le cœur d'une étoile est avec l'astérosismologie, l'étude des oscillations stellaires.

De la même manière que les ondes sismiques qui ondulent à l'intérieur de la Terre peuvent être utilisées pour cartographier le paysage souterrain de la planète, les oscillations stellaires ouvrent une fenêtre sur les entrailles d'une étoile. Les étoiles oscillent lorsque leur plasma se transforme, produisant des ondes qui transportent des informations sur la composition interne et la rotation d'une étoile. Bugnet compare le processus à une cloche qui sonne - la forme et la taille d'une cloche produisent un son spécifique qui révèle les propriétés de la cloche elle-même.

Pour étudier les géants qui tremblent, les scientifiques utilisent les données de la chasse aux planètes de la NASA Télescope Kepler, qui a surveillé la luminosité de plus de 180,000 XNUMX étoiles pendant des années. Sa sensibilité a permis aux astrophysiciens de détecter d’infimes changements dans la lumière des étoiles liés aux oscillations stellaires, qui affectent à la fois le rayon et la luminosité de l’étoile.

Mais décoder les oscillations stellaires est délicat. Ils se déclinent en deux types de base : les modes de pression acoustique (modes p), qui sont des ondes sonores qui se déplacent à travers les régions extérieures d'une étoile, et les modes de gravité (modes g), qui sont de fréquence inférieure et principalement confinés au noyau. . Pour des étoiles comme notre soleil, les modes p dominent leurs oscillations observables ; leurs modes g, qui sont affectés par les champs magnétiques internes, sont trop faibles pour être détectés et ne peuvent pas atteindre la surface de l'étoile.

En 2011, l'astrophysicien de la KU Leuven Paul Beck et ses collègues utilisé les données Kepler pour montrer que dans les géantes rouges, les modes p et les modes g interagissent et produisent ce qu'on appelle un mode mixte. Les modes mixtes sont l'outil qui sonde le cœur d'une étoile - ils permettent aux astronomes de voir les oscillations en mode g - et ils ne sont détectables que dans les étoiles géantes rouges. L'étude des modes mixtes a révélé que les noyaux des géantes rouges tournent beaucoup plus lentement que l'enveloppe gazeuse de l'étoile, contrairement à ce que les astrophysiciens avaient prédit.

C'était une surprise - et une indication possible qu'il manquait quelque chose de crucial dans ces modèles : le magnétisme.

Symétrie stellaire

L'année dernière, Gang Li, astérosismologue maintenant à la KU Leuven, est allé creuser à travers les géants de Kepler. Il cherchait un signal en mode mixte qui enregistrait le champ magnétique au cœur d'une géante rouge. "Étonnamment, j'ai en fait trouvé quelques exemples de ce phénomène", a-t-il déclaré.

En règle générale, les oscillations en mode mixte dans les géantes rouges se produisent presque rythmiquement, produisant un signal symétrique. Bugnet et d'autres avaient prédit que les champs magnétiques briseraient cette symétrie, mais personne n'a pu faire cette observation délicate - jusqu'à l'équipe de Li.

Li et ses collègues ont trouvé un trio géant qui présentait les asymétries prédites, et ils ont calculé que le champ magnétique de chaque étoile était jusqu'à "2,000 XNUMX fois la force d'un aimant de réfrigérateur typique" - fort, mais conforme aux prévisions.

Cependant, l'une des trois géantes rouges les a surpris : son signal en mode mixte était en arrière. "Nous étions un peu perplexes", a déclaré Sébastien Deheuvels, auteur d'une étude et astrophysicien à Toulouse. Deheuvels pense que ce résultat suggère que le champ magnétique de l'étoile est incliné sur le côté, ce qui signifie que la technique pourrait déterminer l'orientation des champs magnétiques, ce qui est crucial pour mettre à jour les modèles d'évolution stellaire.

Une deuxième étude, dirigée par Deheuvels, a utilisé l'astérosismologie en mode mixte pour détecter des champs magnétiques dans les noyaux de 11 géantes rouges. Ici, l'équipe a exploré comment ces champs affectaient les propriétés des modes g - ce qui, selon Deheuvels, pourrait fournir un moyen d'aller au-delà des géantes rouges et de détecter les champs magnétiques dans les étoiles qui ne présentent pas ces rares asymétries. Mais d'abord "nous voulons trouver le nombre de géantes rouges qui montrent ce comportement et les comparer à différents scénarios pour la formation de ces champs magnétiques", a déclaré Deheuvels.

Pas seulement un numéro

L'utilisation de tremblements d'étoiles pour enquêter sur l'intérieur des étoiles a déclenché une "renaissance" dans l'évolution stellaire, a déclaré Conny Aerts, astrophysicien à la KU Leuven.

La renaissance a des implications considérables sur notre compréhension des étoiles et de notre place dans le cosmos. Jusqu'à présent, nous connaissons l'âge exact d'une seule étoile - notre soleil - que les scientifiques ont déterminé en fonction de la composition chimique des météorites qui se sont formées au cours de la naissance du système solaire. Pour toutes les autres étoiles de l'univers, nous n'avons que des âges estimés basés sur la rotation et la masse. Ajoutez du magnétisme interne et vous avez un moyen d'estimer les âges stellaires avec plus de précision.

Et l'âge n'est pas seulement un nombre, mais un outil qui pourrait aider à répondre à certaines des questions les plus profondes sur le cosmos. Prenez la recherche de la vie extraterrestre. Depuis 1992, les scientifiques ont repéré plus de 5,400 XNUMX exoplanètes. La prochaine étape consiste à caractériser ces mondes et à déterminer s'ils conviennent à la vie. Cela inclut de connaître l'âge de la planète. "Et la seule façon de connaître son âge est de connaître l'âge de la star hôte", a déclaré Deheuvels.

Un autre domaine qui nécessite des âges stellaires précis est l'archéologie galactique, l'étude de la façon dont les galaxies sont assemblées. La Voie lactée, par exemple, a englouti de plus petites galaxies au cours de son évolution ; les astrophysiciens le savent car les abondances chimiques dans les étoiles retracent leur ascendance. Mais ils n'ont pas de bonne chronologie pour savoir quand cela s'est produit – les âges stellaires déduits ne sont pas assez précis.

"La réalité est que, parfois, nous avons un facteur [of] 10 faux dans l'âge stellaire", a déclaré Aerts.

L'étude des champs magnétiques dans les cœurs stellaires en est encore à ses balbutiements ; il y a beaucoup d'inconnues quand il s'agit de comprendre comment les étoiles évoluent. Et pour Aerts, il y a de la beauté là-dedans.

"La nature est plus imaginative que nous", a-t-elle déclaré.

Le voyage de Jackson Ryan pour cet article a été en partie financé par le programme ISTA Science Journalist in Residence.