La dynamique atmosphérique des AGB dévoilée par Gaia grâce aux simulations numériques

Le satellite Gaia a livré en avril 2018 des mesures astrométriques de haute précision pour plus d'un milliard de sources dont les AGB, étoiles de masse faible à intermédiaire qui ont évoluées vers la branche asymptotique des géantes. Leur surface est constituée d'ondes de choc qui sont produites à leur intérieur et qui sont façonnées par le haut de la zone convective lorsqu'elles voyagent vers l'extérieur. En collaboration avec des scientifiques suédois, des chercheurs du laboratoire LAGRANGE (OCA, CNRS/Université Côte d'Azur) ont prouvé que la dynamique complexe des AGB, cause d'asymétries en luminosité, affectent la position mesurée par Gaia. Il s'agit du premier résultat de Gaia sur la physique des AGB.

Les étoiles de masse faible à intermédiaire évoluent vers la branche asymptotique des géantes (AGB), ce qui augmente la perte de masse au cours de cette évolution. Elles sont caractérisées par: (i) des variations de grande amplitude du rayon, de la luminosité et de la température de surface ; et (ii) par un fort taux de perte de masse entraîné par une interaction entre la pulsation, la formation de la poussière et la pression radiative sur cette dernière. Leur dynamique complexe affecte les mesures et amplifie les incertitudes sur les paramètres stellaires.

Très récemment (Gaia DR2 en avril 2018), le satellite Gaia a livré des mesures astrométriques (positions, parallaxes et mouvements propres) de haute précision pour plus d'un milliard de sources. Parmi tous ces objets, les étoiles AGB sont affectées par la complexité de leur dynamique atmosphérique qui peut affecter la position du photocentre et, à son tour, leurs parallaxes.

La surface visible des AGB est faite d'ondes de choc qui sont produites à leur intérieur et qui sont façonnées par le haut de la zone de convection lorsqu'elles voyagent vers l'extérieur. Quelques grandes cellules convectives (avec une longue durée de vie) recouvrent la surface. Elles sont accompagnées par des structures à plus petite échelle avec une durée plus courte.

En présence d'asymétries de luminosité, la position du photocentre ne coïncide pas avec le barycentre de l'étoile et change au fur et à mesure que le motif convectif évolue avec le temps. Afin de quantifier ces mouvements, il faut s'appuyer sur une approche théorique basée sur les simulations hydrodynamiques multidimensionnelles (et en particulier en trois dimensions, 3D) du mouvement du gaz dans les couches atmosphériques des étoiles, couplé avec la radiation. Dans ces modèles, la totalité de l'enveloppe de l'étoile est simulée, au cours du temps. Nous avons calculé le déplacement du photocentre dans les simulations et comparé avec l'incertitude de mesure sur la parallaxe d'un échantillon d'étoiles AGB dans le voisinage solaire (source Gaia DR2). Nous avons trouvé un bon accord avec les observations, ce qui suggère que la variabilité liée à la convection explique en grande partie l'erreur de parallaxe. En plus, nous avons montré que, dans les simulations, des déplacements plus amples du photocentre correspondent à des périodes de pulsation plus longues. Par conséquence, les variations de parallaxe sur les mesures de Gaia pourraient être exploitées pour extraire les paramètres fondamentaux de ces étoiles. Il s'agit du premier résultat de Gaia sur la physique des AGBs.

Les AGB apportent une contribution importante à l'enrichissement chimique des galaxies parce qu'elles perdent d'énormes quantités de leur masse. La convection vigoureuse qui les caractérise pourrait être à la base du mécanisme de la perte de masse et seules les simulations hydrodynamiques peuvent aider les astronomes à comprendre pleinement tous les processus physiques que le caractérise.