Astérosismologie et activité stellaire au Dôme C

Astérosismologie
et activité stellaire
au Dôme C
François Bouchy, Benoît Mosser, Claude Catala
23 septembre 2005
GROUPE DE TRAVAIL
Thierry Appourchaux (IAS – thierry.app[email protected])
François Bouchy (OAMP – [e-mail])
Jérôme Bouvier (LAOG – [email protected]r)
Claude Catala (LESIA – claud[email protected])
Merieme Chadid (LUAN – [email protected])
Jean-François Donati (LAT – [email protected])
Eric Fossat (LUAN – [email protected])
Benoît Mosser (LESIA – [email protected])
Francois-Xavier Schmider (LUAN – [email protected])
Frédéric Thévenin (OCA – [e-mail])
Gérard Vauclair (LAT – gerard.v[email protected])
113

ROLE ET BUTS DU GROUPE DE TRAVAIL
Lors du dernier colloque Dôme C (Toulouse, juin 2004) s’est révélé le besoin de constitution
d’un groupe de travail chargé de structurer la communauté physique stellaire pour le Dôme C,
de répondre à la concurrence internationale, et de définir la meilleure stratégie et la meilleure
instrumentation pour répondre à ces 2 sujets scientifiques. Ce besoin a été réaffirmé par le
PNPS suite aux demandes de crédits 2005.
Mandat du groupe
- Identifier et structurer les programmes scientifiques de physique stellaire qui
bénéficient des possibilités d’observation continue au Dôme C
- Définir dans un premier temps une stratégie et un calendrier, ensuite des
perspectives instrumentales
- Positionner ces programmes par rapport au contexte international
CALENDRIER DU GROUPE DE TRAVAIL
Avril 05 Constitution du groupe de travail
31 Mai 05 Première réunion de travail à Paris
Juin 05 Réalisation d’un premier document
14 Juin 05 Présentation au CS du PNPS
30 Juin 05 Présentation à la SF2A à Strasbourg
Automne 05 Réunion à l’automne 2005 sur le montage d’un projet instrumental
(consortium, partenaire, financement, groupe technique, validation et calendrier)
PLAN DU DOCUMENT
1 – CONTEXTE SCIENTIFIQUE
2 – LE DÔME C
3 – ETAT DES LIEUX DES OBSERVATIONS
4 – LE DÔME C VERSUS LES PROJETS A VENIR
5 – STRATEGIES PHYSIQUE STELLAIRE DÔME C
6 – PRESENTATION DE QUELQUES PROJETS POSSIBLES
7 – LES CIBLES OBSERVABLES AU DÔME C
8 – CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS

1 – CONTEXTE SCIENTIFIQUE
Le besoin d’observations continues sur plusieurs semaines ou plusieurs mois sans les
coupures dues à l’alternance jour/nuit est fondamental pour de nombreux programmes de
physique stellaire et plus particulièrement pour l’astérosismologie et l'activité stellaire. Une
couverture temporelle continue permet une analyse des spectres en fréquence non ambiguë,
non polluée par les alias du jour à 11.6 µHz ainsi que l’analyse de phénomènes transitoires
liés aux éruptions et protubérances stellaires.
Le Dôme C offre des conditions propices pour les longues observations continues (3 mois de
nuits complètes avec un taux de remplissage proche de 90%) et offre de surcroît des
conditions de transparence et de seeing exceptionnelles. Un tel site ouvre des perspectives
nouvelles qu'un réseau multi-site ne pourrait pas offrir.
Les domaines de la physique stellaire non concernés par le besoin absolu d’observations
continues ne sont pas abordés dans ce document, quand bien même leurs interactions avec
l’astérosismologie et l’activité stellaire sont fécondes et/ou indispensables. Ce document ne
traite donc pas de mesures d’abondance, d’interférométrie….
La communauté française est très bien positionnée en spectropolarimétrie et astérosismologie
dans le contexte international, grâce à son implication dans le projet COROT mais aussi grâce
aux spectromètres ELODIE, HARPS, ESPADONS et d’ici peu SOPHIE et NARVAL. De
surcroît, elle possède de fortes compétences en modélisation et théorie.
Les objectifs fondamentaux mais limités de COROT, et l’absence de projets spatiaux à plus
long terme, rendent indispensable de définir une stratégie pour l’astérosismologie au sol.
Sur cette qualité essentielle d’observations continues, le site du Dôme C révolutionne les
perspectives dans principalement 2 domaines en physique stellaire : l’astérosismologie et
l’activité stellaire
2 - LE DÔME C
2.1 - Caractéristiques du site
Le Dôme C est situé en Antarctique à 75° de latitude sud et 3200 m d’altitude (voir Fig. 2.1).
Les conditions météorologiques sont caractérisées par de très faibles vitesses de vent (2.8 m/s
en moyenne), de très rares précipitations neigeuses et de basses températures (−30° en été et
−60° en hiver), un air très sec et un ciel coronal. Le transport des personnes et du matériel
léger est effectué par avion en été depuis les bases de Terra Nova Bay et Dumont d’Urville
(3h). Le transport du matériel est effectué par tracteur (12 jours). Les activités scientifiques du
Dôme C s’articulent autour des 5 thématiques suivantes : Glaciologie, Aéronomie,
Astrophysique, Géophysique et Biologie. Les premières qualifications du Dôme C montrent le
potentiel unique de ce site pour les observations continues sur de longs intervalles de temps et
pour les conditions de transparence et de seeing exceptionnelles qui y règnent. Les propriétés
du seeing nocturne ne sont néanmoins pas encore complètement déterminées.
Les mesures réalisées à l’aide d’un DIMM indique un seeing exceptionnel (0.2 arcsec) à
condition de se placer à plus de 30 m du sol. Une caractérisation complète du seeing

(actuellement réalise par Karim Agabi et l’équipe du LUAN) permettra à la fin du premier
hivernage de dimensionner et d’optimiser les instruments futurs (échantillonnage d’un CCD
et/ou taille de la fibre optique alimentant un spectromètre). Un seeing de 0.2 arcsec
permettrait notamment un gain significatif de l’efficacité de la collecte du flux stellaire par
fibre optique et la possibilité de définir un spectromètre plus compact. Néanmoins un seeing
plus standard de 1 à 2 arcsec ne compromet aucunement le retour scientifique en
astérosismologie et activité stellaire qui se base principalement sur les possibilités
uniques d’observations continues du Dome C.
Fig. 2.1 –
Localisation
géographique du Dôme C en Antarctique
La latitude du site assure une couverture continue sur toutes les cibles circumpolaires de
déclinaison inférieure à −30° avec secz<4 ou de déclinaison inférieure à −45° avec secz<2. La
transparence du ciel assure la possibilité de pointer des cibles brillantes même lorsque le soleil
est proche sous l’horizon ce qui laisse envisager la possibilité de suivre de cibles brillantes
circumpolaires jusqu’à une durée totale de 6 à 9 mois. Le premier hivernage montre un cycle
utile de l’ordre de 90%, comparable à celui obtenu dans l’espace. Quelques aurores polaires
sont à signaler, rares et basses sur l’horizon. Il faudrait pouvoir caractériser leurs fréquences,
les bandes de longueur d’onde principale où elles émettent et leur luminosité. Le tableau
suivant synthétise les deux propriétés du Dôme C qui en font un site unique pour
l’astérosismologie et l’activité stellaire.
Propriétés Avantage par rapport à d’autres sites

Seeing 0.2 – 1.5 arcsec - Efficacité de la collecte de photons
- Stabilité du centrage/guidage sur fibre
- Spectromètre plus compact
- Meilleure précision photométrique
Cycle utile 3 mois avec cycle utile de 90 %
5 mois avec cycle utile > 50%
- Continuité des observations
inaccessible ailleurs sur Terre
et aussi bonne que dans l’espace
Table 2.1 – Propriétés du Dôme C pour l’astérosismologie et l’activité stellaire
2.2 - Conditions pratiques du site
Les conditions de température extrême et l’éloignement conditionnent tout projet à installer au
Dôme C. Tout instrument se doit d’être très largement autonome, entièrement automatisé ou
robotisé. La maintenance ne peut être qu’exceptionnelle, réduite à des tâches simples ou des
tâches liées à la survie de l’instrument. Quand bien même le point de fonctionnement nominal
d’un instrument sera à température ambiante, il n’est pas exclu qu’il doive supporter des très
basses températures : –35°C pendant le transport par chenillettes, voire –80°C en stockage.
Ces conditions se rapprochent de celle du spatial et ont une influence sur les coûts des projets
instrumentaux. Néanmoins les expériences de qualification du site ont montré qu’il était
possible d’adapter aux conditions extrêmes des télescopes du commerce (changement des
tubes par des tubes en Invar, boîtier chauffant pour les moteurs d’entraînement, lubrifiant
spécial grand froid). Quel que soit le programme scientifique, le traitement des données sera
entièrement automatisé, comme il l'est déjà sur HARPS ou l'a été sur le FTS du CFH utilisé en
mode sismique. En mode astérosismique, le traitement conduit à la mesure de la vitesse
Doppler ou au flux photométrique pour chaque pose. Le volume des données à transférer est
alors très faible, puisqu'il peut se limiter au transfert de la série temporelle. Dans le cas de la
spectropolarimétrie, le traitement conduit à un profil de raie spectral moyen ; ici encore le flux
de données reste limité.
3 – ETAT DES LIEUX DES OBSERVATIONS
3.1 – Astérosismologie
3.1.1 – Photométrie versus spectroscopie
Les récents résultats d’astérosismologie au sol ont montré la nette supériorité des mesures de
spectroscopie Doppler par rapport aux mesures photométriques pour les oscillations de type
solaire. La précision nécessaire pour la photométrie des étoiles de type solaire de quelques
ppm s’avère impossible à atteindre depuis le sol, même au Dôme C. Néanmoins, pour
certaines autres classes d’étoiles pulsantes, la spectroscopie Doppler n’est pas adaptée (les
étoiles chaudes, les rotateurs rapides et les étoiles ayant un nombre insuffisant de raies
spectrales). Les performances photométriques attendues du Dôme C en font un lieu privilégié
pour l’étude photométrique des cibles de la bande d’instabilité telles que les δ Scuti, γ Dor,
ρAp, ainsi que les étoiles en fin d’évolution (naines blanches, SdB, ….).