vendredi 21 septembre 2018

Observation inédite d'une rotation différentielle dans 13 étoiles


Le Soleil tourne plus vite à son équateur qu'aux plus hautes latitudes, des observations de cette rotation différentielle ayant été suivies depuis très longtemps par le mouvement des taches solaires. Jusqu'à aujourd'hui, on n'avait jamais observé une telle rotation différentielle sur d'autres étoiles, mais grâce à des mesures d'astérosismologie obtenues avec le télescope Kepler, le phénomène a été identifié sur une grosse dizaine d'étoiles similaires au Soleil.




La rotation différentielle du Soleil peut être non seulement suivie avec le mouvement des taches solaires, mais aussi par héliosismologie (l'étude de la propagation d'ondes acoustiques dans les couches internes du Soleil). Comme sur les étoiles lointaines, il est très difficile pour ne pas dire impossible, d'observer des taches sur leur enveloppe, mais que en revanche, on a le moyen d'étudier leurs vibrations internes (qu'on appelle alors l'astérosismologie), l'idée était tentante d'exploiter ce phénomène pour tenter de déceler la présence d'une rotation différentielle sur d'autres étoiles que le Soleil. C'est ce qu'ont entrepris une équipe d'astrophysiciens menés par Othmane Benomar (Université de New York à Abu Dhabi) avec un télescope très bien adapté pour étudier l'astérosismologie : le chasseur d'exoplanète Kepler. Aussi étonnant que cela puisse paraître, la recherche d'exoplanètes par la méthode du transit (de la planète devant l'étoile) et l'astérosismologie ont un point commun : il s'agit dans les deux cas d'étudier d'infimes variations de luminosité d'une étoile et ce pendant une longue durée. Les données primaires sont les mêmes, mais l'analyse est toute différente. Les astrophysiciens ont donc scruté une quarantaine d'étoiles du type solaire à la recherche d'oscillations qu'ils pourraient décomposer en plusieurs fréquences caractéristiques d'ondes acoustiques se propageant dans l'enveloppe stellaire, ce qui pourrait donner des indications de rotation différentielle.
Le phénomène de rotation différentielle dans les couches externes des étoiles est considéré jouer un rôle important dans l'activité magnétique. Sauf que les mécanismes qui génèrent et maintiennent la rotation différentielle sont encore très mal compris.
Sur les quarante étoiles observées, Benomar et ses collaborateurs trouvent ainsi 13 étoiles montrant une rotation variable entre l'équateur et les hautes latitudes. Pour la plupart d'entre elles, l'équateur tourne deux fois plus vite que la région à 45°. Cette amplitude de différence de vitesse de rotation est bien plus élevée que ce que l'on attendait. Pour comparaison, pour le Soleil, l'équateur tourne 11% plus vite que les régions à 45° et 30% plus vite que les régions polaires.

Ce qui est étonnant dans ce phénomène  de rotation différentielle, c'est qu'elle concerne seulement les couches de convection. En dessous de ces couches, on sait que le Soleil se comporte comme un corps solide en rotation, donc uniforme à toutes les latitudes. Il est donc très important de voir ce phénomène dans d'autres étoiles que le Soleil pour mieux le cerner. 
Les chercheurs expliquent dans leur article publié dans Science aujourd'hui comment les ondes acoustiques qui traversent les couches stellaires à différentes profondeurs s'avèrent avoir une sensibilité à al rotation qui dépend de la latitude. C'est cette particularité des ondes sismiques dans les étoiles qui leur permet d'évaluer les différences de vitesse de rotation entre l'équateur et les latitudes plus élevées, jusqu'aux pôles, mais aussi en fonction du rayon à partir du centre des étoiles.  Et les chercheurs observent toujours le même schéma : c'est l'équateur qui tourne plus vite que les pôles, jamais le contraire, une systématique qui devrait permettre de comprendre des choses.
Les grandes valeurs de différence de vitesse de rotation entre équateurs et pôles mettent en défaut les modèles théoriques. Les astrophysiciens américains, japonais et européens pensent que cette grande différence reflète une grande anisotropie dans la turbulence des couches de convection, ce qui induirait un transport de moment cinétique très efficace et une suppression de la viscosité. 
Par ailleurs, les champs magnétiques à grande échelle tendent à réduire les différences de rotation via la force de Lorentz. Mais les résultats de Benomar et al. montrent que la force de Lorentz est très inefficace dans les étoiles étudiées. Le champ magnétique à grande échelle serait alors transporté efficacement dans les régions très profondes des étoiles, là où on attend une rotation rigide. Pour expliquer ce comportement, les astrophysiciens parlent de pompage magnétique. 
La recherche des exoplanètes peut mener à acquérir une connaissance très approfondie sur le fonctionnement des étoiles, et du Soleil en particulier... On comprend pourquoi les spécialistes attendent avec impatience l'arrivée de PLATO en orbite vers 2026, qui devrait étudier plusieurs dizaines de milliers d'étoiles comme l'a fait Kepler.


Source

Asteroseismic detection of latitudinal differential rotation in 13 Sun-like stars
O. Benomar et al.
Science  Vol. 361, Issue 6408, (21 September 2018)


Illustration

1) Vue d'artiste illustrant les observations d'astérosismologie permettant d'étudier la rotation différentielle des étoiles (MPS/Mark Garlick)

2) Le télescope spatial Kepler (NASA)