Annexe B - Observatoire Midi

a
Thèse d’habilitation à diriger des recherches
Contribution en Signal, Image et Instrumentation pour l’Astronomie
Annexe C. Etude d’étoiles doubles visuelles et spectroscopiques
Habilitation thesis, “Accreditation to supervise research”
Contribution to Signal, Image & Instrumentation in Astronomy
Appendix C. Study of visual and spectroscopic double stars
Jean-Louis Prieur
Version 1er septembre 2014
Mots clés :
Etoiles
binaires : visuelles, serrées, à éclipses, spectroscopiques ;
étoiles : paramètres fondamentaux ;
étoiles : astrométrie, photométrie.
Keywords :
Stars
binaries : visual, close, eclipsing, spectroscopic ;
stars : fundamental parameters ;
stars : astrometry, photometry.

Table des matières
Table des matières i
I Etoiles doubles : pourquoi et comment déterminer leurs orbites ? 1
I.1 Introduction ................................... 1
I.1.1 Propriétés statistiques ......................... 2
I.1.2 Formation de systèmes doubles ou multiples ............. 3
I.1.3 Détermination des masses ....................... 8
I.1.4 Apport de l’interférométrie des tavelures ............... 11
I.2 Orbites visuelles ................................. 14
I.2.1 Orbite vraie ............................... 14
I.2.2 Orbite apparente ............................ 16
I.2.3 Détermination des masses ....................... 21
I.2.4 Vitesses radiales relatives ........................ 22
I.3 Calcul d’orbites de binaires visuelles ...................... 23
I.3.1 Corrections préliminaires ........................ 23
I.3.2 Méthode géométrique interactive .................... 24
I.3.3 Méthodes non supervisées ....................... 26
I.3.4 Méthode de Hellerich .......................... 26
I.3.5 Application de la méthode de Hellerich au cas d’une orbite circulaire 30
I.4 Orbites spectroscopiques ............................ 31
I.4.1 Vitesses radiales ............................ 31
I.4.2 Fonction de masse (cas d’un seul spectre visible) ........... 33
I.4.3 Estimation des masses (cas de deux spectres visibles) ......... 34
I.5 Binaires à éclipses ................................ 35
I.5.1 Présentation des binaires à éclipses .................. 35
I.5.2 Traitement analytique ......................... 37
I.6 Détermination de paramètres physiques .................... 46
I.6.1 Métallicité log[Fe/H] .......................... 46
I.6.2 Diamètres des étoiles .......................... 46
I.6.3 Parallaxe trigonométrique ....................... 47
I.6.4 Parallaxe photométrique ........................ 50
I.6.5 Parallaxe dynamique : méthodes existantes et extension proposée . . 50
I.6.6 Estimation des masses ......................... 54
I.6.7 Estimation des âges ........................... 54
I.7 Effets de marée sur les systèmes binaires .................... 58
I.7.1 Indices observationnels : synchronisation et circularisation ...... 58
i

ii
I.7.2 Stabilité d’un système binaire en présence d’effets de marée ..... 58
I.7.3 Temps caractéristiques ......................... 60
I.7.4 Marées statiques et dynamiques .................... 60
II Contribution à l’étude des étoiles doubles 67
II.1 Binaires spectroscopiques : observations et réduction des données ...... 68
II.1.1 Observations effectuées pour l’obtention de vitesses radiales ..... 68
II.1.2 Description de l’instrument CORAVEL ................ 69
II.1.3 Traitement des données ......................... 71
II.1.4 Calcul d’orbites ............................. 72
II.2 Binaires spectroscopiques : détermination automatique des éléments orbitaux 73
II.2.1 Détermination de la période ...................... 73
II.2.2 Détermination des valeurs initiales ................... 75
II.2.3 Calcul des paramètres de l’orbite .................... 81
II.3 Binaires à éclipses : étude de HD 126031 ................... 88
II.3.1 Analyse des vitesses radiales ...................... 88
II.3.2 Analyse de la courbe de lumière .................... 88
II.3.3 Analyse combinée des résultats .................... 89
II.3.4 Traitement simplifié de la courbe de lumière .............. 90
II.4 Binaires spectroscopiques de types F, G, K et M ................ 94
II.4.1 Présentation du projet : objectifs et moyens .............. 94
II.4.2 Principaux résultats ........................... 96
II.5 Etoiles à spectre composite ...........................106
II.5.1 Présentation des étoiles à spectre composite ..............106
II.5.2 Bref historique .............................108
II.5.3 Objectifs de cette étude et moyens utilisés ...............110
II.6 Etoiles Am ...................................114
II.6.1 Etude statistique ............................115
II.6.2 Effets de marée .............................115
II.7 Etude de la fonction (initiale) de masse des étoiles ...............117
II.7.1 Test statistique de conformité .....................117
II.7.2 Simulation d’une loi de probabilité à partir d’une loi uniforme . . . . 118
II.7.3 Test du Khi 2 ..............................124
II.7.4 Test de Kolmogorov-Smirnov .....................126
II.7.5 Test d’Anderson-Darling ........................127
II.7.6 Application aux compagnons des étoiles Am de notre échantillon . . 129
II.7.7 Inversion par la méthode de Lucy-Richardson .............129
II.8 Binaires visuelles ................................131
II.8.1 Observations avec PISCO au Pic du Midi ...............131
II.8.2 Observations avec PISCO à Merate ..................144
A Noms et catalogues d’étoiles 153
A.1 Catalogues généraux ..............................154
A.2 Catalogues spécialisés : étoiles doubles ....................154
A.3 Equinoxes de référence .............................156

iii
B Programmes de calcul d’orbites de binaires spectroscopiques 159
B.1 Programme bs1.for .............................159
B.2 Programme bs2.for .............................159
B.3 Programme bs3.for .............................160
B.4 Programme bs4.for .............................160
B.5 Détermination des valeurs initiales : sb_initial.c ............160
B.6 Traitement automatique : exemple de HD201193 ...............161
C Calcul d’orbites de binaires visuelles : méthode de Marco Scardia 163
C.1 Dates : jours juliens, date bessélienne .....................163
C.2 Méthode de Marco Scardia ...........................163
C.2.1 Etape préliminaire ...........................164
C.2.2 Cas où la méthode de Hellerich converge ...............167
C.2.3 Cas où la méthode de Hellerich ne converge pas ............168
C.2.4 Cas où il n’existe aucune orbite ....................169
D Classification spectrale des étoiles 171
D.1 Introduction ...................................171
D.2 Bref historique de la classification stellaire ...................172
D.2.1 Classes de Secchi ............................172
D.2.2 Classification de Harvard : types spectraux ..............174
D.2.3 Classification de Morgan-Keenan : classes de luminosité .......175
D.2.4 Autres systèmes de classification ....................177
D.3 Origine des spectres stellaires ..........................179
D.3.1 Photosphère et atmosphère stellaire ..................179
D.3.2 Principaux paramètres physiques déduits des spectres stellaires . . . . 180
D.3.3 Principes de la théorie des raies spectrales ...............183
D.3.4 Perturbations intervenant dans l’obtention des spectres ........188
D.4 Relation masse-luminosité : limite d’Eddington ................189
D.5 Critères utilisés pour la classification de Morgan-Keenan ...........190
D.5.1 Raies spectrales utilisées pour la classification .............190
D.5.2 Classification en types spectraux de Harvard .............192
D.5.3 Classification MK et ses limitations ..................197
E Présentation des marées 199
E.1 Marées océaniques terrestres ..........................199
E.1.1 Définitions ...............................199
E.1.2 Bref historique .............................199
E.1.3 Force génératrice des marées ......................201
E.1.4 Potentiel générateur des marées ....................205
E.1.5 Marée statique .............................206
E.1.6 Variation du potentiel en fonction du temps ..............208
E.1.7 Développement harmonique du potentiel ...............209
E.2 Marées dans un système d’étoiles binaires ...................213
E.2.1 Le potentiel perturbateur ........................213
E.2.2 Perturbation de l’état d’équilibre d’une étoile .............215

iv
E.2.3 Linéarisation ..............................216
Bibliographie 219
Index 229