Une équipe internationale dirigée par un astronome français de l'Observatoire de Paris en collaboration avec un astrophysicien du CEA-IRFU vient de faire une découverte surprenante sur les étoiles massives-actives en rotation rapide de type spectral Be : la taille de leur noyau serait 20 % plus importante que prévue. Cette découverte a été effectuée à l'aide de l'observatoire spatial CoRoT du CNES et du télescope Bernard Lyot de 2 mètres du Pic du Midi. Les astronomes viennent de franchir une nouvelle étape dans la compréhension des étoiles géantes de type Be.

CoRot est un satellite d'astérosismologie dont le but est de sonder le coeur interne des étoiles en étudiant leurs vibrations globales afin de mieux connaître les processus physiques transportant l'énergie du foyer nucléaire vers leur atmosphère. Durant plus de cent jours consécutifs (27 puis 157 jours), le satellite CoRoT a observé des vibrations lumineuses des étoiles Be : HD181231 et HD175869. L'équipe scientifique a pu révéler la taille de chacun des noyaux convectifs qui s'avère plus importante que celle des modèles standards.

Avec une rotation 20 fois plus rapide que celle du Soleil, ces deux étoiles sont également 4 fois plus massives que ce dernier avec un rayon équatorial environ 7 fois plus grand. Les étoiles de type B sont si puissantes qu'elles ne vivent que très peu de temps et ne s'écartent quasiment pas de l'endroit où elles se sont formées. Leur dynamique interne est particulière, elle est liée à la convection du coeur de ces étoiles et aux mouvements dans leur enveloppe externe dus à leur rotation rapide.

Comparées au Soleil, les étoiles de type Be montrent une structure interne "inversée" avec un coeur nucléaire convectif qui bouillonne et une large enveloppe radiative externe où le transport de l'énergie est assuré par le rayonnement. D'autre part, ces étoiles tournent si rapidement sur elles-mêmes qu'elles sont à 90 % de la limite théorique au-delà de laquelle la gravitation n'assure plus l'équilibre de l'étoile. Ceci induit simultanément un fort aplatissement de l'étoile ainsi que des mouvements à grande échelle et de la turbulence dans l'enveloppe radiative qui vont induire un mélange important des éléments chimiques qui modifie leur structure interne, et en particulier la taille du coeur convectif.

Crédits image : Coralie Neiner (CNRS/OBSPM)/ Stéphane Mathis (CEA/IRFU).

Vue d'artiste d'une étoile Be en rotation rapide. L'axe de rotation est représenté en rouge. Le coeur convectif a un rayon plus important (en noir) que la valeur prédite par les modèles statiques de ces étoiles ne prenant pas en compte la rotation de l'étoile (en pointillés verts). Ceci est dû à la pénétration des mouvements convectifs dans l'enveloppe externe du fait de leur inertie (flèches noires) ainsi qu'aux flots de grande échelle (boucles rouges) et aux turbulences induites par la rotation rapide dans cette dernière. Le disque de décrétion de ces étoiles est représenté dans le plan équatorial. 

Différents types d'oscillations se propagent dans les intérieurs stellaires: les ondes acoustiques dues à la compressibilité du milieu et les ondes de gravité dues à la force d'Archimède. Dans le cas des deux étoiles HD181231 et HD175869 étudiées ici, ce sont les ondes de gravité, fortement influencées par la rotation rapide (on les appelle alors ondes gravito-inertielles) qui permettent de sonder la structure interne jusqu'au coeur nucléaire.

C'est alors que la surprise intervient car en comparant le spectre des oscillations observé par le satellite CoRoT au calcul théorique des fréquences, les astronomes on comprit que ce coeur convectif est 1,25 plus lourd et 1,2 fois plus étendu que ce qui est prédit par les modèles statiques où la dynamique interne (en particulier la rotation) n'est pas prise en compte alors qu'elle agit notamment au niveau de la frontière entre le coeur convectif et l'enveloppe radiative externe.

Le télescope Bernard Lyot de l'observatoire du Pic du Midi. Crédit image : Pascalou petit.

Les connaissances en hydrodynamique interne ajoutées aux modèles numériques des pulsations d'étoiles massives (prenant en compte leur rotation rapide) ont permis aux astronomes d'expliquer l'actuel désaccord entre les observations et le modèle statique des étoiles :

- 1er : Ils ont montré que les mouvements convectifs du coeur qui pénètrent dans l'enveloppe radiative du fait de leur inertie peuvent expliquer les deux tiers de son extension "non-standard'' observée. Le tiers restant s'explique par les mouvements internes très lents et la turbulence générée par la rotation différentielle de l'enveloppe radiative.

- 2ème : Le télescope Bernard Lyot du Pic du Midi a effectué des observations spectro-polarimétriques complémentaires qui ont montré que ces deux étoiles n'ont pas de champ magnétique de surface détectable qui pourrait contraindre l'intensité maximale que pourrait avoir un champ magnétique fossile dans l'enveloppe radiative. Les scientifiques  ont alors conclu que la dynamique des étoiles HD181231 et HD175869 est dominée par leur rotation extrêmement rapide.

L'article scientifique est disponible ici. L'équipe scientifique internationale est composée de Coralie Neiner (Observatoire de Paris-LESIA, CNRS), S. Mathis (CEA), H. Saio, C. Lovekin, P. Eggenberger et U. Lee.