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Reflexions, le site de vulgarisation de l'Université de Liège
© Université de Liège - http://reflexions.ulg.ac.be/ - 24 May 2017
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Des géantes qui en imposent
21/06/11
Dans leur volet «exoplanètes», les missions spatiales CoRoT puis Kepler scrutent des milliers d'étoiles.
Peu d'entre elles ont des compagnons planétaires. Que faire des données recueillies sur toutes ces étoiles
solitaires? Elles ont été récupérées et exploitées par l'astérosismologie, cette branche de l'astrophysique
qui étudie les oscillations sismiques des étoiles. Prises avec une fréquence de quelques dizaines de
minutes, ces données sont trop espacées pour détecter des oscillations dans les étoiles semblables à notre
soleil. Par contre, elles sont adaptées pour mettre en évidence les oscillations des géantes rouges. Et les
surprises n'ont pas tardé!
Lancée en 2009, la mission spatiale américaine Kepler a été conçue pour détecter des planètes autour
d'étoiles appartenant à notre Galaxie. La technologie à bord du télescope le rend capable de détecter
des planètes aussi petites que notre Terre orbitant autour d'étoiles semblables au soleil. Son objectif ?
Déterminer si les terres sont abondantes dans la Voie lactée. Mais voilà, les résultats qui viennent de faire
l'objet de deux publications, l'une dans Nature (1) et l'autre dans Science (2), ne concernent pas du tout
ces exoplanètes. « Pour comprendre le cadre et la portée de ces résultats de Kepler, il faut revenir à la
mission spatiale CoRoT (COnvection ROtation and planetary Transits) du CNES (Lire l'article : Voyage au
coeur des étoiles) et à sa grande découverte relative aux géantes rouges », souligne l'astrophysicienne
Josefina Montalban, chercheuse dans le groupe d'astrophysique stellaire et d'astérosismologie du
département d'Astrophysique, de Géophysique et d'Océanographie de l'ULg et co-auteur des deux
articles.
C'est CoRoT, lancé en décembre 2006, qui a semé le trouble parmi les astrophysiciens au sujet
des géantes rouges. Après avoir épuisé l'hydrogène présent dans son coeur, une étoile commence
la combustion de l'hélium dans ses couches intérieures pendant que son enveloppe se dilate
considérablement. Cette transition de phase se traduit par un changement de couleur vers le rouge. C'est
pourquoi on qualifie alors l'étoile de géante rouge. Même si ce stade sera celui qu'atteindra notre soleil

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dans 5 milliards d'années, il a été peu étudié par l'asterosismologie , qui s'est surtout focalisée sur les
étoiles de type solaire, mais aussi sur les étoiles chaudes et les naines blanches. Notre soleil a fourni
d'excellentes observations grâce à sa proximité, ce qui a créé un engouement en faveur de ses congénères.
De plus, c'est aussi autour d'étoiles semblables à notre soleil que les astrophysiciens cherchent des
exoplanètes et espèrent trouver d'autres terres.
Mais depuis quelques années, CoRoT invite progressivement les chercheurs à porter leur regard sur la
sismologie des géantes rouges, en mettant en évidence leurs potentialités insoupçonnées et ce, pour
de nombreux domaines de l'astrophysique. L'objectif de la mission CoRoT était double : étudier les
oscillations sismiques d'un petit nombre d'étoiles pour sonder leur intérieur et découvrir des exoplanètes en
surveillant un grand champ d'étoiles. Ces deux types d'observations nécessitent tous les deux la détection
de variations photométriques périodiques : de l'ordre du jour ou de la semaine pour le passage d'une
exoplanète devant son étoile ou de l'ordre de la minute pour une sismologie de type solaire.

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Dans son volet «exoplanètes», CoRoT scrute des milliers d'étoiles. Peu d'exoplanètes ont été
démasquées par rapport au nombre total d'étoiles sous surveillance. Mais exoplanète ou pas, les données
photométriques ont été recueillies pour toutes ces étoiles. Alors que faire des données relatives aux
étoiles sans compagnon planétaire apparent ? Qu'à cela ne tienne, elles ont été récupérées pour d'autres
projets et, en particulier, exploitées par l'astérosismologie, cette branche de l'astrophysique qui étudie les
oscillations sismiques d'étoiles. Prises avec une fréquence de quelque dizaines de minutes, ces données
sont trop espacées pour détecter des oscillations de type solaire. Par contre, elles sont adaptées pour
mettre en évidence les oscillations des géantes rouges car leurs temps caractéristiques d'oscillation sont
plus longs.
Déterminer la masse et le rayon d'une étoile
C'est alors que les surprises ont commencé à se succéder. La première a été la découverte d'oscillations
stellaires non-radiales, autrement dit de déformations selon des modes qui ne préservent pas la symétrie
sphérique de l'étoile. Les modes radiaux sont bien connus : ils avaient déjà été observés depuis le sol.
L'existence des modes non-radiaux dans les géantes rouges demeurait théorique jusqu'à ces résultats de
CoRoT, parus dans Nature en mai 2009, article dont Joris de Ridder de la KUL est le premier auteur.

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« Mais avant même d'analyser individuellement chaque fréquence d'oscillation nous avons pu tirer
énormément d'informations rien qu'en observant l'allure générale des spectres en fréquence de centaines
de géantes rouges,our chacun de ces spectre en fréquence, en déterminant le domaine de fréquences
où se situe le maximum de puissance et la séparation en fréquence entre deux modes consécutifs
(périodicité des fréquences), il est possible, grâce à ces deux paramètres, et moyennant la connaissance
de la température effective de l'étoile, d'avoir accès à la masse et au rayon de chaque étoile, et par-là, à
sa luminosité et à sa distance. Obtenir la masse et le rayon d'une étoile n'était jusqu'alors possible que
si elle se trouvait dans un système binaire à éclipse : c'était inimaginable pour une étoile isolée. Avec
la sismologie, nous l'avons fait sans aucune intervention de modèles théoriques ... et pour 900 étoiles
isolées...» précise Josefina Montalban.

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Poursuivons l'aventure... Ce grand nombre de données a permis de surcroît une étude statistique qui a ensuite
pu être comparée aux prédictions des modèles d'évolution stellaire et de synthèse de populations stellaires.
Ces derniers prédisent, a un âge donné de la Galaxie, le nombre d'étoiles et leur luminosité, en fonction
de leur masse et de leur position dans la Galaxie. « La similitude entre les observations et les simulations
est extraordinaire, s'émerveille l'astrophysicienne. De plus, grâce aux distances, nous pouvons construire une
structure tridimensionnelle de la Galaxie. Et ce n'est pas tout. Nous avons ainsi pu montrer que la plupart des
géantes rouges observées avec CoRoT correspondaient à des étoiles du «red clump», un sous-groupe de
géantes rouges caractérisées par une luminosité identique. Ainsi, sans rien connaître de ces étoiles, si ce
n'est leur sismologie, il a été possible de les identifier. C'est la grosse découverte de CoRoT... et elle a été
faite à partir de données considérées comme un sous-produit de la mission. »