Une énigme sur la pulsation désordonnée d'étoiles résolue

Des astronomes ont compris les schémas de pulsation de dizaines d'étoiles jeunes et en rotation rapide grâce aux données du satellite Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA. La découverte révolutionnera la capacité des scientifiques à étudier des détails comme l'âge, la taille et la composition de ces étoiles - tous membres d'une classe nommée du nom de l'étoile brillante Delta Scuti.

"Les étoiles Delta Scuti pulsent avec des schémas de pulsations qui avaient jusqu'à présent défié la compréhension", a déclaré Tim Bedding, professeur d'astronomie à l'Université de Sydney. "Pour utiliser une analogie musicale, de nombreuses étoiles pulsent le long d'accords simples, mais les étoiles Delta Scuti sont complexes, avec des notes qui semblent être mélangées. TESS nous a montré que ce n'était pas vrai pour toutes."

Un article décrivant les résultats, dirigé par Bedding, paraît dans le numéro du 14 mai de la revue Nature.


Les ondes sonores traversent l'intérieur d'une étoile à des vitesses qui changent avec la profondeur, et elles se combinent toutes en motifs de pulsation à la surface de l'étoile. Les astronomes peuvent détecter ces motifs comme de minuscules fluctuations de luminosité et les utiliser pour déterminer l'âge, la température, la composition, la structure interne et d'autres propriétés de l'étoile.

Les étoiles Delta Scuti représentent entre 1,5 et 2,5 fois la masse du Soleil. Elles sont nommées d'après Delta Scuti, une étoile visible à l'œil nue située dans la constellation de l'Écu de Sobieski qui a été identifiée pour la première fois comme variable en 1900. Depuis lors, les astronomes ont identifié des milliers d'autres étoiles comme Delta Scuti, beaucoup avec le télescope spatial Kepler de la NASA.

Mais les scientifiques ont eu du mal à interpréter les pulsations des étoiles Delta Scuti. Ces étoiles tournent généralement une ou deux fois par jour, soit au moins une douzaine de fois plus vite que le Soleil. La rotation rapide aplatit les étoiles à leurs pôles et brouille les modèles de pulsation, les rendant plus compliqués et difficiles à déchiffrer.


Pour déterminer s'il existe un ordre dans les pulsations apparemment chaotiques des étoiles Delta Scuti, les astronomes doivent observer un grand nombre d'étoiles avec un échantillonnage rapide. TESS surveille de grandes étendues de ciel, prenant une image complète toutes les 30 minutes avec chacune de ses quatre caméras. Cette stratégie d'observation permet à TESS de suivre les changements de luminosité stellaire causés par les planètes passant devant leurs étoiles, ce qui est sa mission principale, mais les expositions d'une demi-heure sont trop longues pour capturer les modèles des étoiles Delta Scuti à pulsations plus rapides. Ces changements peuvent se produire en quelques minutes.

Mais TESS capture également des instantanés de quelques milliers d'étoiles présélectionnées - y compris certaines étoiles Delta Scuti - toutes les deux minutes. Lorsque Bedding et ses collègues ont commencé à trier les données, ils ont découvert un sous-ensemble d'étoiles Delta Scuti possédant des motifs de pulsations réguliers. Une fois qu'ils ont su quoi chercher, ils ont recherché d'autres cas dans les données de Kepler. Ils ont également effectué des observations de suivi avec des télescopes au sol, dont un à l'observatoire Keck à Hawaï et deux dans le réseau mondial de l'observatoire de Las Cumbres. Au total, ils ont identifié un lot de 60 étoiles Delta Scuti avec des motifs clairs.

"C'est vraiment une découverte. Nous avons maintenant une série régulière de pulsations pour ces étoiles que nous pouvons comprendre et comparer avec des modèles", a déclaré le co-auteur Simon Murphy, chercheur postdoctoral à l'Université de Sydney. "Cela va nous permettre de mesurer ces étoiles en utilisant l'astérosismologie d'une manière que nous n'avons jamais pu faire. Mais cela nous a également montré que ce n'est qu'un tremplin dans notre compréhension des étoiles Delta Scuti."

Les données ont déjà aidé à régler un débat sur l'âge d'une étoile, appelée HD 31901, membre d'un flux d'étoiles récemment découvert. Les scientifiques ont placé l'âge du flux global à 1 milliard d'années, en fonction de l'âge d'une géante rouge qu'ils soupçonnaient appartenir au même groupe. Une estimation ultérieure, basée sur les périodes de rotation des autres membres du flux stellaire, a suggéré un âge d'environ 120 millions d'années seulement. L'équipe de Bedding a utilisé les observations TESS pour créer un modèle astérosismique de HD 31901 qui trancherait en faveur de l'âge le plus jeune.


L'équipe pense que leur ensemble de 60 étoiles présentent des motifs clairs car elles sont plus jeunes que les autres étoiles Delta Scuti. Les pulsations se produisent plus rapidement dans les étoiles naissantes. À mesure que les étoiles vieillissent, la fréquence des pulsations ralentit et elles se confondent avec d'autres signaux.

Aussi, les calculs théoriques prédisent que les modèles de pulsation d'une étoile en rotation devraient être plus simples à déterminer lorsque son pôle de rotation nous fait face au lieu de son équateur. L'ensemble de données de TESS comprenait environ 1 000 étoiles Delta Scuti, ce qui signifie que certaines d'entre elles, par hasard, doivent être bien positionnées par rapport à nous.

Les scientifiques continueront de développer leurs modèles sachant que TESS commencera à prendre des images complètes toutes les 10 minutes au lieu de toutes les demi-heures à partir de juillet.