Les géants bleus sont les stars du rock and roll de l'univers. Ce sont des stars lourdes qui vivent sous la devise "Vivre vite, mourir jeune". Cela les rend rares et donc difficiles à étudier, même avec des télescopes modernes. En tant que doctorant en première année, j'ai eu l'opportunité de contribuer à une découverte assez particulière.
Les étoiles dans le ciel ont capturé notre imagination depuis l'aube de l'humanité. Souvenez-vous de la comptine :"'Scintille, scintille petite étoile, je te vois de loin". Les télescopes nous permettent de regarder profondément dans l'univers, mais il reste difficile pour les astronomes de « voir » profondément dans les étoiles. De nouveaux télescopes spatiaux permettent aux astronomes d'observer les ondes qui se forment dans l'intérieur profond des étoiles. Cela permet d'étudier ces étoiles grâce à l'astérosismologie , une technique similaire à celle utilisée par les sismologues qui utilisent les tremblements de terre pour étudier l'intérieur de la Terre.
Sir Arthur Eddington (1882-1944) a dit un jour que l'intérieur profond du Soleil et des autres étoiles est moins visible que les recoins les plus profonds de notre univers. Nous ne pouvons voir que la surface des étoiles et appliquer nos lois physiques classiques pour découvrir ce qui se passe à l'intérieur. En l'absence d'observations du cœur des étoiles, cependant, nous tâtonnions dans le noir. Mais dans les années 1970, les astronomes ont appris qu'il y avait des ondes sonores dans notre Soleil. Celles-ci sont visibles sous la forme de variations infimes de la lumière que nous recevons du soleil. En attendant, nous savons que les oscillations stellaires sont omniprésentes dans la galaxie. En "écoutant" le concert stellaire, les astronomes peuvent obtenir toutes sortes d'informations sur l'intérieur des étoiles vibrantes. Pour ce faire, nous avons besoin de télescopes spatiaux avec des instruments de mesure très précis. Avec l'arrivée des télescopes spatiaux Kepler/K2 (2009-2018) et maintenant TESS (2018 - ????), les astronomes sont en route. Nous le devons en partie à nos collègues, les chasseurs de planètes, qui recherchent constamment des exoplanètes. Eux aussi doivent regarder certaines stars pendant longtemps. Ils veulent voir si aucune planète ne passe, nous voulons savoir si des vagues glissent sur la surface. Les deux cibles nécessitent le même type de mesures. Grâce en partie à ces missions spatiales, de nombreuses étoiles sont connues pour vibrer et montrer des ondes à leur surface.
À l'Institut d'astronomie de la KU Leuven, le groupe de recherche en astérosismologie dirigé par Conny Aerts s'intéresse principalement à l'étude de l'intérieur des étoiles massives, qui ont au moins dix fois plus de masse de gaz que notre soleil. Le lancement d'une nouvelle mission spatiale offre de nouvelles opportunités passionnantes pour la recherche scientifique lorsque ces étoiles sont observées. Attendre la prochaine publication des données du télescope spatial peut être tout aussi excitant et éprouvant pour les nerfs que d'attendre le dernier épisode de Game of Thrones. Mais le résultat est souvent fascinant et vaut bien l'attente.
En tant qu'aspirant doctorant, j'ai eu l'opportunité de travailler avec les données de la NASA provenant des télescopes spatiaux Kepler et TESS. Essentiellement, ce que font les télescopes spatiaux, c'est prendre de longues séries d'images des étoiles. Avant que nous puissions utiliser ces données pour la recherche, vous devez les « masser », pour ainsi dire. Vous l'avez probablement fait vous-même. Vous partez en vacances, regardez vos photos après, et constatez que vous n'êtes pas un photographe professionnel né. Mais avec la technologie d'aujourd'hui, vous pouvez facilement les modifier et les enregistrer dans un bel album pour plus tard. Ce n'est pas très différent avec les données des télescopes spatiaux. Par exemple, il est possible qu'une étoile fasse du "photobombing", et vous devez vous assurer que vous avez la bonne étoile devant vous. Le caméraman/femme n'est pas non plus toujours stable et de légers décalages peuvent se produire. Vérifier soigneusement toutes les données et les étoiles est une tâche immense, mais avec mes collègues de la KU Leuven, nous avons réussi à le faire pour des centaines d'étoiles massives. Avec succès, car maintenant nous voyons ce que font vraiment les stars.
Figure 1. Cet instantané issu d'une simulation informatique montre l'intérieur d'une étoile trois fois plus massive que notre soleil. Les ondes sont générées par des mouvements turbulents dans le noyau et se propagent au centre de l'étoile. Image du Dr. Tamara Rogers (Université de Newcastle)
Dans notre récent article sur l'astronomie dans la nature, nous présentons la découverte qu'une grande partie des supergéantes bleues vibrent et ont donc des ondes en mouvement à leur surface. Comme mentionné précédemment, les étoiles géantes bleues sont les stars du rock and roll de l'univers. Avant d'envoyer des satellites dans l'espace, seules quelques supergéantes bleues avaient été observées. Mais maintenant, dans les données de la NASA, nous en avons vu beaucoup plus.
Cependant, l'histoire derrière notre découverte commence beaucoup plus tôt. Ces ondes, issues de la convection turbulente au cœur des étoiles, avaient été prédites depuis des années dans des simulations numériques menées par le Dr. Tamara Rogers et son équipe de l'université de Newcastle en Angleterre. dr. Rogers et son équipe se spécialisent dans la construction de simulations détaillées d'intérieurs stellaires, nécessitant des années de construction et des mois de fonctionnement, même avec les superordinateurs les plus avancés aux États-Unis ou en Europe. Un exemple d'une telle simulation peut être vu dans la figure 1. Les nuances de couleur représentent les fluctuations des vagues.
Figure 2. Schéma de l'évolution stellaire. Remarquez la différence entre les étoiles massives (Massive star) et les étoiles semblables au soleil (Sun-like). Figurine de la NASA/Night Sky Network
Depuis 2013, il existe une étroite collaboration entre les astronomes de l'Institut d'Astronomie de Louvain et ceux de l'Université de Newcastle, car nos compétences se complètent. Ici, à Louvain, nous interprétons les observations des télescopes et transmettons ces informations aux simulations à Newcastle, que nous utilisons ensuite pour mieux interpréter nos observations et ainsi améliorer la théorie des modèles stellaires. Au fil des ans, nous avons organisé plusieurs réunions conjointes de plusieurs jours avec les deux équipes qui ont jeté les bases de cette découverte scientifique. Ces réunions ne sont pas seulement axées sur la science pure, mais vous permettent également de profiter de la compagnie des autres et de déguster les nombreuses bières différentes que la Belgique a à offrir. Cet « esprit d'équipe » de proximité est très bénéfique pour la recherche.
Avant notre découverte des ondes à la surface des supergéantes bleues, nous ne savions pas si le Dr. Tamara Rogers et son équipe seraient en fait observables. Ces ondes sont porteuses d'informations sur l'intérieur de l'étoile, mais si elles restent invisibles avec les télescopes spatiaux de haute précision, l'étoile est comme un coffre au trésor dont la clé est perdue à jamais. Les étoiles se présentent sous différentes formes, tailles et couleurs. Ceci est clairement visible sur la figure 2. Certaines étoiles ressemblent à notre Soleil et sont en sommeil depuis des milliards d'années. Les étoiles massives, nées avec dix fois ou plus de gaz que le Soleil, ont des vies beaucoup plus courtes mais plus actives. À la fin, ils explosent et projettent de la matière dans l'espace, dans une soi-disant explosion de supernova. Les supergéantes bleues se dirigent vers une telle explosion, ce sont les usines métalliques de l'univers, car elles produisent la plupart des éléments chimiques plus lourds que l'hélium dans le tableau périodique de Mendeleïev. Nous le savons au niveau mondial des métaux dans l'univers, mais les détails spécifiques, qui sont importants pour la formation de nouvelles étoiles et planètes, restent essentiellement invisibles si nous ne pouvons regarder que le trésor, pas ce qu'il y a à l'intérieur.
Ces ondes nous permettent de voir pour la première fois sous les surfaces opaques des supergéantes bleues. "Découvrir des vagues dans tant de supergéantes bleues a été un moment d'eurêka", a déclaré le Dr. Dominic Bowman, chercheur postdoctoral, auteur principal de l'article Nature Astronomy et mon superviseur quotidien. Le scintillement de ces étoiles a toujours été là, il a juste fallu attendre les télescopes spatiaux modernes pour les observer. Les stars du rock and roll se produisent depuis le début, mais seulement depuis que les dernières missions spatiales de la NASA ont ouvert les portes de leur salle de concert. Les fréquences des ondes à la surface permettent d'étudier la physique et la chimie des couches internes de l'étoile. Ils nous disent avec quelle efficacité les métaux produits se dispersent à l'intérieur de ces usines stellaires. Avant les télescopes spatiaux Kepler/K2 et TESS de la NASA, seules quelques supergéantes bleues aux luminosités variables étaient connues. Nous n'avions tout simplement pas vu les ondes nombreuses mais minuscules causées par les vibrations. C'est-à-dire jusqu'à maintenant !
La comptine "Twinkle, twinkle little star, je te vois de loin" s'avère également valable pour les grandes stars. Grâce aux missions spatiales modernes et à leur immense quantité d'observations, nous entrons maintenant dans l'âge d'or de l'astérosismologie des étoiles chaudes et massives. La découverte d'ondes dans les supergéantes bleues nous permet d'étudier ces précurseurs importants des explosions de supernova sous un nouvel angle.
Nos résultats montrent qu'une collaboration scientifique forte entre des équipes travaillant dans d'autres disciplines est toujours extrêmement bénéfique à toute découverte scientifique. Nous attendons avec impatience la poursuite de la collaboration entre l'Institut d'Astronomie de Louvain et l'Université de Newcastle en Angleterre, et les futures découvertes qui seront faites en reliant les données de haute précision fournies par les télescopes spatiaux aux simulations numériques disponibles aujourd'hui, pour le producteurs de métaux dans notre univers.
