Beaucoup de gens savent que les étoiles scintillent parce que notre atmosphère courbe la lumière des étoiles lorsqu’elle atteint la Terre. Mais les étoiles possèdent également une « scintillation » naturelle – provoquée par des ondulations de gaz à leur surface – qui est actuellement indétectable par les télescopes terrestres. Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs dirigée par l’Université Northwestern a développé la première simulation tridimensionnelle de l’énergie ondulante du noyau d’une étoile massive jusqu’à sa surface externe. Grâce à ces nouveaux modèles, les chercheurs ont déterminé pour la première fois à quel point les étoiles devraient scintiller naturellement.
Des scientifiques de l'Université Northwestern ont développé pour la première fois une technologie de simulation tridimensionnelle pour étudier les ondulations énergétiques du noyau à la surface externe d'une étoile massive, offrant ainsi une nouvelle perspective sur la « scintillation » inhérente aux étoiles. L'équipe a également converti ces ondes en son, permettant aux auditeurs d'« entendre » l'intérieur de l'étoile et son scintillement naturel. Source : E.H.Andersetal.
L'équipe a également converti pour la première fois ces ondulations de gaz en ondes sonores, permettant aux auditeurs d'entendre les sons de l'intérieur et les « miroitements » de l'étoile. C'est tellement fascinant. La recherche a été publiée dans la revue Nature Astronomy.
"Le mouvement du noyau d'une étoile crée des vagues semblables à celles d'un océan", a déclaré Evan Anders de l'Université Northwestern, qui a dirigé l'étude. "Lorsque les ondes atteignent la surface de l'étoile, elles provoquent le scintillement de l'étoile, et les astronomes pourront peut-être observer ce scintillement. Pour la première fois, nous avons développé un modèle informatique qui nous permet de déterminer à quel point l'étoile scintille à cause de ces ondes. Ce travail permettra aux futurs télescopes spatiaux de détecter la région centrale où les étoiles forgent les éléments dans lesquels nous vivons et respirons."
Anders est chercheur postdoctoral au Centre d'exploration et de recherche interdisciplinaires en astrophysique (CIERA) de l'Université Northwestern. Daniel Lecoanet, co-auteur du rapport d'étude, professeur adjoint de sciences de l'ingénierie et de mathématiques appliquées à la McCormick School of Engineering de l'Université Northwestern et membre du CIERA, a fourni des conseils.
Une simulation tridimensionnelle de la façon dont la convection turbulente dans le noyau d'une grande étoile (au centre) crée des ondulations qui se propagent vers l'extérieur et résonnent près de la surface de l'étoile. En étudiant les changements de luminosité d'une étoile provoqués par les vibrations, les scientifiques pourraient un jour mieux comprendre les processus profonds au cœur des grandes étoiles. Source de l'image : E.H.Anders et al./"Nature-Astronomy" 2023
Toutes les étoiles ont une zone de convection, une région volatile et chaotique où le gaz circule, poussant la chaleur vers l’extérieur. Pour les étoiles massives (au moins 1,2 fois la masse du Soleil), la zone de convection est située au cœur de l'étoile.
Les courants de convection à l’intérieur des étoiles sont similaires aux processus qui alimentent les orages. L'air refroidi descend, se réchauffe et remonte. Il s'agit d'un processus turbulent qui transporte de la chaleur. Cela crée également des vagues – de petits ruisseaux qui atténuent et éclaircissent la lumière des étoiles, créant ainsi de subtils scintillements. Parce que les noyaux des étoiles massives sont obscurcis, Anders et son équipe ont tenté de simuler leurs courants de convection cachés. Après avoir étudié les propriétés de la convection dans le noyau turbulent, les caractéristiques des ondes et les caractéristiques d'observation que ces ondes pourraient avoir, la nouvelle simulation de l'équipe intègre toute la physique pertinente pour prédire avec précision comment la luminosité de l'étoile change en réponse aux ondes générées par la convection.
Une fois que la convection a créé des vagues, ces ondes rebondissent à l'intérieur de l'étoile simulée. Certaines ondes finissent à la surface de l'étoile, créant un effet scintillant, tandis que d'autres restent piégées et continuent de rebondir. Pour isoler les ondes émises vers la surface et créer l'effet de scintillation, Anders et son équipe ont construit un filtre qui décrit comment les ondes rebondissent à l'intérieur de l'étoile simulée.
"Nous avons d'abord placé une couche d'amortissement autour de l'étoile - comme les murs rembourrés d'un studio d'enregistrement - afin de pouvoir mesurer exactement comment la convection centrale crée les ondes", explique Anders.
Anders le compare à un studio de musique, utilisant des murs rembourrés et insonorisés pour minimiser l'acoustique de l'environnement afin que les musiciens puissent extraire le « son pur » de la musique. Les musiciens appliquent ensuite des filtres et conçoivent ces enregistrements pour obtenir les effets souhaités.
Jouez "Jupiter" de Gustav Holst à travers trois tailles d'étoiles massives. Source : Université Northwestern
De même, Anders et ses collaborateurs ont appliqué leur filtre aux ondes pures qu’ils ont mesurées émanant du noyau convectif. Ils ont ensuite suivi les ondes rebondissant autour d’une étoile modèle et ont finalement découvert que leur filtre décrivait avec précision comment l’étoile modifiait les ondes provenant du noyau. Les chercheurs ont ensuite développé un filtre différent qui décrit comment les ondes rebondissent à l’intérieur des étoiles réelles. Après avoir appliqué ce filtre, la simulation résultante montre comment les astronomes s’attendent à ce que les ondes apparaissent lorsqu’elles sont observées à travers de puissants télescopes.
"La luminosité ou l'atténuation d'une étoile dépend de divers changements dynamiques qui se produisent au sein de l'étoile", a déclaré Anders. "Le scintillement provoqué par ces ondes est si subtil que nos yeux ne sont pas assez sensibles pour le voir. Mais de puissants télescopes à l'avenir pourront peut-être le détecter."
Anders et ses collaborateurs ont poussé l'analogie du studio d'enregistrement un peu plus loin et ont ensuite produit des sons en utilisant l'analogique. Parce que ces ondes sont hors de portée de l’audition humaine, les chercheurs ont augmenté uniformément la fréquence des ondes, les rendant clairement audibles.
Selon la taille ou la luminosité de l'étoile massive, les ondes produites par convection correspondent à des sons différents. Les vagues provenant du cœur d’une grande étoile, par exemple, sonnent comme un pistolet à rayons torsadés traversant le paysage extraterrestre. Mais lorsque ces ondes atteignent la surface de l’étoile, celle-ci modifie ces sons. Pour les grandes étoiles, les impulsions semblables à celles d’un pistolet à rayons se transforment en échos faibles qui se répercutent dans les pièces vides. En revanche, les vagues à la surface des étoiles de taille moyenne rappellent le bourdonnement constant produit par les tremblements de terre provoqués par le vent. Et les vagues à la surface de la petite étoile sonnent comme les douces sirènes d’une sirène météo.
Les visuels de Little Star jouent à travers trois tailles d’étoiles massives. Source : Université Northwestern
Ensuite, Anders et son équipe ont joué la chanson à travers différentes stars et ont écouté comment les stars ont changé la chanson. Ils ont fait passer de courts extraits audio de "Jupiter" (un mouvement de la suite orchestrale "Les Planètes" du compositeur Gustav Holst) et de "Twinkle Twinkle" à travers des étoiles massives de trois tailles (grande, moyenne et petite). Alors qu'ils voyagent à travers les étoiles, toutes les chansons semblent lointaines et persistantes, comme celles d'« Alice au pays des merveilles ».
"Nous étions curieux de savoir à quoi ressemblerait une chanson si elle traversait une étoile", a déclaré Anders. "L'étoile change la musique et, à son tour, change l'apparence des vagues si nous les voyions clignoter sur la surface de l'étoile."