Les vieilles étoiles tournent plus vite qu’on ne le pensait

© Nasa/SDO
Grâce à l’étude des ondes qui se propagent à l’intérieur des étoiles, les chercheurs de l’université de Birmingham et du CEA ont montré que les étoiles âgées tournent plus vite sur elles-mêmes que ce que la théorie du freinage magnétique prédisait jusqu’alors.

Les astronomes vont-ils bientôt pouvoir estimer plus précisément l’âge des étoiles grâce à leur vitesse de rotation ? C’est la perspective qu’ouvre une étude publiée dans Nature Astronomy le 22 avril 2021 par une équipe internationale, dont des chercheurs du CEA de Paris-Saclay. Les scientifiques y concluent en effet que les étoiles de masse semblable à celle du Soleil tournent plus vite que prévu en vieillissant. Pour cela, ils ont utilisé des techniques d'astérosismologie et les données du télescope spatial Kepler (aujourd’hui inactif).

Les petites étoiles freinées par les vents stellaires

Les astronomes savent que la rotation des étoiles de masse similaire au Soleil ralentit à partir d’un milliard d’années d’existence. Cette diminution de vitesse est causée par les vents stellaires qui agissent comme les bras tendus d’une patineuse tournant sur elle-même. En effet, la structure de ce type d’étoiles est différente de celle d’étoiles plus massives (au-delà de 8 masses solaires). Il se forme à leur surface une couche convective qui permet d’évacuer plus efficacement la chaleur produite en profondeur, là où les étoiles massives évacuent leur chaleur par radiation et possèdent une couche convective située plus près de leur centre. La présence d’une couche convective à la surface d’une étoile est la cause de vent solaire, ce qui génère des éruptions solaires, des éjections de matière et, combiné à sa rotation, du magnétisme.

Illustration de la rotation d'une étoile. Crédit : Mark Garlick / Université de Birmingham
Une couche convective proche de la surface de l’étoile engendre des vents stellaires qui la ralentissent. © M. Garlick / Université de Birmingham

Or, cette étude démontre que le freinage magnétique causé par la présence de vents stellaires a moins d’influence sur la rotation des vieilles étoiles que prévu.

Une technique appelée astérosismologie a permis d’arriver à cette conclusion, comme l’explique Rafael Garcia, du CEA et coauteur de l’étude : « Généralement, la mesure de la vitesse de rotation des étoiles jeunes se fait en suivant le mouvement des taches solaires présentes à sa surface. Mais lorsque les étoiles prennent de l’âge, les taches y sont plus rares et moins marquées. Déterminer leur vitesse de rotation est plus ardu. L’astérosismologie analyse les oscillations causées par les ondes sonores piégées dans les étoiles. L’étude de ces ondes permet d’obtenir des caractéristiques de l’astre comme sa taille ou sa masse et d’en déduire son âge en passant par des modèles théoriques. De plus, lorsque l’étoile tourne, la fréquence des oscillations change, à la manière du son produit par une voiture lorsqu’elle s’approche ou s’éloigne de nous. Grâce à cet effet, il est possible de remonter à sa vitesse de rotation. » C’est en analysant les données du télescope spatial Kepler pour 92 étoiles de tout âge que l’équipe a pu déduire leur vitesse de rotation.

« Nous avons ainsi montré que les étoiles plus âgées que le Soleil ont une vitesse de rotation supérieure à ce qui était prédit par les lois de freinage connues, ce qui pourrait être dû à un changement du magnétisme de surface et donc des vents stellaires, poursuit Rafael Garcia. Ce changement dans l’influence de ces vents se produit vers 4 milliards d’années, soit à peu près l’âge du Soleil (en fonction de la structure de l’étoile). Cette découverte ouvre donc la voie à beaucoup d’applications dans l’étude de notre étoile. Nous en avions déjà eu l’intuition lors d’une étude réalisée en 2016, mais c’est la première fois que nous avons la preuve que les étoiles âgées et de masse similaire au Soleil tournent plus vite que ne le prédisaient nos modèles. »

Des modèles à revoir pour les vielles étoiles

Cette découverte ouvre la voie à une meilleure compréhension de l’interaction entre les vents stellaires produits par les étoiles peu massives comme le Soleil et leur rotation. Elle nous apprend également que la théorie du freinage magnétique est valable pour les étoiles âgées de 1 à 4 milliards d’années environ. De nouvelles données issues du télescope spatial européen Plato, dont le lancement est prévu pour 2026, devraient permettre une amélioration des modèles décrivant les vieilles étoiles.

Quant au Soleil, pas très jeune avec ses 4,5 milliards d’années : « Pour l’instant, sa vitesse est encore compatible avec la théorie du freinage magnétique. Les effets que nous observons sur des étoiles plus âgées ne sont pas encore visibles sur lui », note Rafael Garcia. Normal, le frein magnétique ne s’est desserré, au mieux qu’il y a 500 millions d’années…

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