Une étude révolutionnaire a révélé que les étoiles froides dotées de champs magnétiques puissants génèrent de puissants vents stellaires, informations clés pour évaluer l’habitabilité des systèmes exoplanétaires. Une étude menée par des scientifiques de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam (AIP) a utilisé pour la première fois des simulations numériques de pointe pour décrire systématiquement les propriétés des vents stellaires dans un échantillon d’étoiles froides. Ils ont découvert que les étoiles dotées de champs magnétiques plus puissants produisent des vents plus forts. Ces vents créent des conditions défavorables à la survie de l’atmosphère de la planète, affectant ainsi l’habitabilité de ces systèmes.
Le Soleil est l’une des étoiles les plus abondantes de l’univers et est connu sous le nom d’« étoile froide ». Ces étoiles sont divisées en quatre catégories (types F, G, K et M), qui varient en taille, température et luminosité. Les étoiles plus brillantes et plus grandes que le Soleil appartiennent à la catégorie F, tandis que les étoiles de la catégorie K sont légèrement plus petites et plus froides que le Soleil. Les étoiles les plus petites et les plus faibles sont les étoiles M, également appelées « naines rouges » car la majeure partie de la lumière qu'elles émettent est rouge.
Les observations satellitaires ont révélé qu'en plus de la lumière, le soleil continue de libérer un flux de particules appelé vent solaire. Ces vents voyagent dans l’espace interplanétaire et interagissent avec les planètes du système solaire, dont la Terre. Les magnifiques aurores près des pôles Nord et Sud sont produites par cette interaction. Cependant, ces vents peuvent aussi être nocifs car ils peuvent éroder les atmosphères planétaires stables, comme c’est le cas sur Mars.
Même si nous en savons déjà beaucoup sur le vent solaire – en partie grâce à des missions comme Solar Orbiter – il n’en va pas de même pour d’autres étoiles cool. Le problème est que nous ne pouvons pas voir ces vents stellaires directement, nous pouvons donc uniquement étudier leur effet sur le gaz ténu présent dans les cavités situées entre les étoiles de la Voie lactée. Cependant, cette méthode présente certaines limites et ne fonctionne que pour un petit nombre d’étoiles. Cela a conduit à l’utilisation de simulations et de modèles informatiques pour prédire diverses propriétés des vents stellaires sans que les astronomes les observent.
Dans ce contexte, la doctorante Judy Chebly, le scientifique Julián D. Alvarado-Gómez et la directrice du département Katja Poppenhäger de la Division de physique stellaire et des exoplanètes de l'AIP, en collaboration avec Cecilia Garraffo de l'Université Harvard et du Smithsonian Center for Astrophysics, ont mené la première étude systématique des propriétés attendues du vent stellaire des étoiles F, G, K et M.
Pour ce faire, ils ont effectué des simulations numériques en utilisant l’un des modèles les plus complexes actuellement disponibles, pilotés par la distribution observée du champ magnétique à grande échelle de 21 étoiles. Des simulations ont été réalisées dans les installations de calcul intensif de l'AIP et du Leibniz Rechenzentrum (LRZ).
L'équipe a étudié comment les propriétés d'une étoile, telles que la gravité, l'intensité du champ magnétique et la période de rotation, affectent les caractéristiques de vitesse ou de densité du vent. Les résultats comprennent une description complète des propriétés du vent stellaire de différents types spectraux, dont l'un démontre la nécessité de revoir les hypothèses précédentes sur les vitesses du vent stellaire lors de l'estimation des taux de perte de masse pertinents à partir des observations.
De plus, les simulations peuvent prédire la taille attendue de la surface d’Alverwin – la limite entre la couronne de l’étoile et le vent stellaire. Ces informations seront essentielles pour déterminer si les systèmes planétaires sont affectés par de fortes interactions magnétar-planète, qui se produisent lorsqu'une planète orbite ou s'enfonce complètement dans la surface Alverwin de son étoile hôte.
Impact sur les systèmes planétaires
Leurs résultats montrent que les étoiles dont les champs magnétiques sont plus grands que ceux du Soleil ont des vents plus rapides. Dans certains cas, la vitesse du vent stellaire peut être jusqu'à cinq fois plus rapide que la vitesse moyenne du vent solaire, qui est généralement de 450 kilomètres par seconde. L'enquête a évalué la vitesse à laquelle ces étoiles ont des vents dans la soi-disant « zone habitable ». La « zone habitable » est définie comme la distance orbitale à laquelle les exoplanètes rocheuses pourraient maintenir de l'eau liquide à leur surface si elles avaient une pression atmosphérique semblable à celle de la Terre. Ils ont découvert que l'environnement autour des étoiles de type F et G est relativement doux, comparable à l'environnement terrestre autour des soleils de type G, tandis que l'environnement éolien autour des étoiles de type K et M est de plus en plus rude. Ce fort vent stellaire a une forte influence sur l’atmosphère que peut avoir une planète.
Ce phénomène est bien documenté en héliophysique entre les planètes rocheuses et le Soleil, mais pas dans les systèmes exoplanétaires. Cela nécessite des estimations des vents stellaires pour évaluer des processus similaires à ceux que nous observons entre le vent solaire et les atmosphères planétaires. Les informations sur les vents stellaires des étoiles de la séquence principale F à M étaient auparavant inconnues, cette étude est donc importante en termes d'habitabilité.
Les travaux présentés dans cet article ont été réalisés sur 21 étoiles, mais les résultats sont suffisamment généraux pour être appliqués à d’autres étoiles froides de la séquence principale. Cette enquête ouvre la voie à de futures études sur les observations du vent stellaire et leur impact sur l'érosion de l'atmosphère planétaire.
Référence : « Quantification numérique des propriétés du vent stellaire de la séquence principale froide », auteur : Judy J Chebly, Julián D Alvarado-Gómez, Katja Poppenhäger et Cecilia Garraffo, 19 juillet 2023, « Avis mensuels de la Royal Astronomical Society ».
DOI:10.1093/mnras/stad2100
Source compilée : ScitechDaily