MOOC Peser l'Univers

C. Barban ∗, E. Bron † ‡, A. Doressoundiram∗, A. Le Tiec §

Printemps 2016

Cours

10 Peser les étoiles

10.1 La sismologie stellaire

Introduction La masse d'une étoile est une de ses caractéristiques lesplus importantes. En e�et, la masse d'une étoile joue un rôle primordialdans sa vie. Par exemple, plus une étoile est massive, plus elle utilisede manière e�cace son "carburant" et plus sa durée de vie sera courte.Connaître la masse des étoiles est important pour étudier leur structureinterne et leur évolution. Mais c'est aussi un paramètre clé pour l'étudedes galaxies et en particulier notre Galaxie, la Voie Lactée, ou encorepour étudier les exoplanètes, ces planètes orbitant autour d'autres étoilesque le Soleil.

La masse d'une étoile n'est malheureusement pas facile à détermi-ner. On peut utiliser la troisième loi de Kepler dans le cas d'un coupled'étoiles liées par leur attraction gravitationnelle mutuelle et en orbitel'une autour de l'autre. Pour cela, il faut mesurer précisément les para-mètres orbitaux de ce système tels que la période et le demi-grand axede l'orbite décrite. La troisième loi de Kepler permet alors de calculer

∗LESIA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Université Pierre et MarieCurie, Université Denis Diderot, 92195 Meudon cedex, France†Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)/CSIC, Sor Juana Inés de la Cruz 3,

Cantoblanco, 28049 Madrid, Spain‡LERMA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Université Pierre et Marie

Curie, École normale supérieure, Université de Cergy-Pontoise, 92195 Meudon cedex, France§LUTH, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Université Paris Diderot, Sor-

bonne Paris Cité, 92195 Meudon cedex, France

la somme des masses des deux étoiles à partir de ces paramètres. Enpratique, cette méthode s'avère di�cile à mettre en ÷uvre. La mesurede ce demi-grand axe nécessite le plus souvent une autre mesure qui estla distance de la Terre à l'étoile double observée. Par ailleurs, le mou-vement apparent des étoiles est extrêmement lent, les périodes peuventatteindre une centaine d'années. Une fois l'orbite apparente mesurée, ilfaut encore en déduire l'orbite réelle. Là encore des di�cultés apparais-saient car les orbites sont la plupart du temps inclinées par rapport ànotre ligne de visée, ce qui fausse les estimations de dimension. En�n,pour estimer la masse de chaque étoile, il faut avoir mesurer les positionsdes deux étoiles le long de l'orbite dont le rapport est égal au rapportdes masses. Malheureusement, même si beaucoup d'étoiles font partie desystèmes multiples, les paramètres nécessaires pour appliquer la 3ème loide Kepler ne sont pas toujours mesurables et pour la majorité des étoiles,il faut donc trouver d'autres méthodes.

Nous allons voir maintenant une méthode récente pour estimer lamasse des étoiles. Cette méthode est basée sur une discipline nouvellede la physique stellaire : la sismologie stellaire.

Dans une première partie, nous introduirons la sismologie stellaire àsavoir l'étude des vibrations des étoiles. Nous verrons ensuite commentles astronomes observent ces vibrations stellaires. Dans une troisièmepartie, je vous montrerai à quoi ressemble les vibrations du Soleil quisont aussi observées dans d'autres étoiles. En�n, nous verrons commentil est possible d'estimer la masse des étoiles à partir de leurs vibrations.

Dé�nition : Qu'est-ce que la sismologie stellaire ? On parle aussid'astérosismologie. Astéro signi�e étoile, seismos : tremblement et lo-

gos : raisonnement ou langage. L'astérosismologie consiste en l'étudedes tremblements ou vibrations des étoiles. Comme les géophysiciensutilisent les tremblements de terre pour sonder notre planète, les astro-physiciens utilisent les tremblements d'étoiles pour mieux connaître cesastres.

Découverte des vibrations du Soleil Les vibrations du Soleil ontété découvertes de manière fortuite au début des années 60. Deux as-tronomes, un américain, J.W. Evans, de l'Observatoire de Sacramento(USA) et un français, R. Michard de l'Observatoire de Paris partent enmission d'observations aux Etats-Unis. Ils utilisent un télescope dédiéà l'observation du Soleil à l'Observatoire de Sacremento Peak au Nou-

veau Mexique. Ils étudient les phénomènes d'éruption se produisant àla surface du Soleil. Ils détectent alors dans leurs observations des mou-vements de la surface du Soleil qui se reproduisent toutes les 5 minutesenviron. Ces résultats sont publiés dans une revue américaine spéciali-sée, l'Astrophysical Journal (Evans & Michard, 1962, ApJ Volume 136,page 493).

Une dizaine d'années plus tard, des astrophysiciens américains, R.Ulrich, J. Leibacher et R. Stein, interprètent ces mouvements de surfacepériodiques comme des vibrations du Soleil (voir Leighton, Noyes & Si-mon, 1962, ApJ Volume 135, page 474). Le Soleil se comporte commeune cavité résonnante et peut se mettre à vibrer tout comme un instru-ment de musique. En e�et, le Soleil, comme tout autre étoile, est unesphère de gaz très chaud (on parle de plasma) en équilibre. L'e�et dela gravitation qui tend à se faire e�ondrer l'étoile sur elle-même est àtout moment compensée par la pression du gaz comprimé à l'intérieurde l'étoile. À la suite de petites perturbations de son état d'équilibre,dont on verra l'origine plus tard, l'étoile peut se mettre à vibrer.

Il fallait maintenant con�rmer cette découverte avec un instrumentdédié à l'observation des vibrations du Soleil. Pour observer précisémentles vibrations du Soleil, en plus d'avoir des conditions météos favorables,il faut observer le Soleil sans interruption c'est-à-dire 24h/24h. Si l'oninstallait ce nouveau télescope à l'Observatoire de Sacremento Peak, oùles vibrations du Soleil avaient été détectées, il ne serait pas possibled'observer le Soleil 24h/24h puisqu'à un moment il disparaîtrait sousl'horizon.

A la �n des années 70, une équipe d'astrophysiciens franco-américainemenée par E. Fossat de l'Université de Nice organise alors une expédi-tion au pôle Sud. Ils observent le Soleil pendant 5 jours sans interruptionpendant le jour polaire. Ils con�rment alors la découverte de Evans etMichard du début des années 60 et mettent en évidence plusieurs pé-riodes de vibrations autour de 5 minutes.

Ce fut une découverte fantastique qui permit aux astrophysiciens demieux comprendre le fonctionnement de notre étoile.

Mais le Soleil n'est qu'une étoile parmi tant d'autres dans notre Ga-laxie. Pour améliorer les modèles d'évolution stellaire, les astrophysiciensvont chercher à détecter ces vibrations dans d'autres étoiles qui ont despropriétés di�érentes.

Une fois de plus, il a fallu attendre une dizaine d'années pour que desvibrations similaires à celles découvertes pour le Soleil soient détectéesdans d'autres étoiles dans notre Galaxie.