La première inférence d’un champ magnétique à l’intérieur d’une étoile de séquence principale

Titre: Inférence astérosismique de l’intensité du champ magnétique proche du cœur dans la séquence principale B star HD 43317

Auteurs: Lecoanet, Daniel; Bowman, Dominic M.; Van Reeth, Timothée

Institution du premier auteur : Département des sciences de l’ingénieur et des mathématiques appliquées, Northwestern University, Evanston IL 60208, États-Unis

Statut: Accepté aux lettres MNRAS [open access]

Les champs magnétiques peuvent être trouvés autour de pratiquement tous les corps célestes. Le champ magnétique terrestre est essentiel à l’existence de la vie, mais nous savons aussi maintenant que les étoiles et les trous noirs ont également des champs puissants. Étonnamment, on sait très peu de choses sur les origines des champs magnétiques générés par bon nombre de ces structures cosmiques. Les théories concernant leurs origines s’étendent de la naissance stellaire à l’interaction binaire, mais nous savons avec certitude que les champs magnétiques ont une forte impact sur la structure et l’évolution stellaire.

Cependant, nous ne pouvons pas simplement nous tenir debout sur le soleil avec une boussole. Au lieu de cela, les astronomes doivent déduire la présence d’un champ magnétique sous la surface d’une étoile. Les auteurs de cet article déduisent pour la première fois l’intensité du champ magnétique à l’intérieur d’une étoile de la séquence principale. L’étoile, nommée HD 43317, abrite un champ magnétique en son centre que les auteurs concluent être de 5 x 10 ^ 5 Gauss – un million de fois la force du champ magnétique qui vous entoure maintenant sur Terre !

Parlez-nous de vous, HD 43317

HD 43317 vit actuellement comme un Étoile de type B sur la séquence principale du Diagramme de Hertzprung-Russell (HR). Précédemment, spectroscopie de HD 43317 a conduit à sa classification comme étoile B, un type d’étoile qui brûle dans la gamme de 10 000 à 30 000 Kelvin et contient environ 5 masses solaires de matière (Figure 1).

Figure 1: Le diagramme HR, qui montre les caractéristiques de morphing que les étoiles suivront tout au long de leur vie. Si vous pouvez placer une étoile sur ce diagramme, vous pouvez également apprendre quelque chose sur sa luminosité, sa température, sa couleur et sa phase d’évolution, tout à la fois ! Dessiné sur cette parcelle est approximativement l’endroit où se trouve HD 43317. (Image tirée de ici et adapté avec les données de SIMBAD.)

Les étoiles massives brassent de la matière dans l’énorme fournaise de leurs noyaux, fusionnant et compactant des éléments plus lourds avec la puissance écrasante de la gravité. Pourtant, les astronomes ont encore du mal à déduire les détails de l’environnement du cœur lorsqu’ils sont contraints de ne voir que la surface. Par exemple, si une étoile était très dense et grande, toute action se produisant dans le noyau pourrait être amorti à sa sortie, émergeant à peine comme une ondulation ou un mouvement à la surface de l’étoile. Rappelez-vous, les étoiles sont VRAIMENT GROS– la différence entre le rayon du soleil et Bételgeuse est à peu près la même qu’un humain contre deux Burj Khalifas, le plus haut bâtiment du monde, empilés les uns sur les autres !

Notre invité spécial, HD 43317 se démarque parmi ses pairs pour cette raison – il a des signatures observables de pulsation en plus de la preuve d’un champ magnétique à sa surface. En fait, des champs magnétiques à grande échelle n’ont été détectés que dans 10 % des séquences principales massives. étoiles naines.

Que pouvez-vous nous dire sur votre portefeuille d’astérosismologie ?

Tout comme l’étude terrestre de la sismologie, ou l’étude des tremblements de terre, les auteurs d’aujourd’hui utilisent astérosismologie signatures sismologiques à la surface des étoiles. L’astérosismologie offre un pont entre les événements à la surface de l’étoile et les événements de la région la plus interne des noyaux. En fait, cette étude marque le domaine par l’innovation : c’est la première fois que l’astérosismologie est utilisée pour sonder la force du champ magnétique interne d’une étoile de la séquence principale !

L’astérosismologie, l’étude de la structure stellaire à partir des oscillations, est un outil précieux pour déterminer la physique intérieure des étoiles à travers le diagramme HR. Alors que les ondes générées par le barattage et l’excitation dans le noyau veulent onduler à travers l’étoile, jusqu’à la surface, il y a une force réparatrice qui évacue cette énergie : la gravité. Les ondes restituées par la flottabilité (oui, comme dans l’océan !) sont appelées « ondes de gravité internes » (et non ondes gravitationnelles, qui sont des ondulations dans l’espace-temps lui-même).

Figure 2 : Les auteurs utilisent des harmoniques sphériques — comment une forme s’écarte d’une sphère parfaite (celle située à 1,1) à travers ses fluctuations. Ces écarts sont signalés par les lettres L et M, en plus des nombres pour préciser leur forme et leur orientation. Chaque configuration est appelée un mode. Exemple de portail de la recherche.

Si nous devions cartographier les manières exactes dont une étoile s’écarte d’une sphère parfaite, soit par étirement, soit par compression, nous verrions les résultats des ondes qui ont survécu à la gravité et modifié la surface.

Harmoniques sphériques sont un ensemble de fonctions de base en physique moderne et peuvent être utilisées pour décrire ces déformations au fur et à mesure qu’elles se produisent (Figure 2). Chaque forme de la figure 2 est appelée un mode, et il existe un sous-ensemble particulier de modes surnommé le “modes g” qui persistent et peuvent être directement liés aux effets de la gravité (oui, c’est de là que vient le « g » !).

En d’autres termes, si l’on peut visualiser directement les g-modes, alors on peut utiliser les propriétés de la gravité pour déduire la force et la masse du noyau car il amortit les modes g de différentes fréquences. La force et la géométrie d’un champ magnétique intérieur peuvent laisser une empreinte sur les modes g tels que les décalages de fréquence des modes.

Nous ne serions nulle part si ce n’était pas pour les G-Modes

Les auteurs d’aujourd’hui ont développé une étude précédente réalisée par B. Buysschaert et al (2018), qui a présenté les données de HD 43317 et extrait ses modes g probables à partir de données optiques (reproduites sur la figure 3). Ils ont remarqué que pour amagnétique étoiles subissant des pulsations astérosismologiques, les modes g apparaîtraient à un ensemble de fréquences différentes de celles qu’ils ont observées.

Figure 3: (Panneau supérieur) observations de HD 43317 et de ses changements de luminosité, avec des ondes dessinées pour illustrer l’un des nombreux modèles d’ondes possibles sous-jacents aux données. (Panneau du bas) L’amplitude et la fréquence des ondes correspondent aux données du panneau ci-dessus. Buysschaert et al. déterminer ce sont des exemples des modes g, critiques pour l’étude dans le document d’aujourd’hui. (Modifié de Buysschaert et al. 2018. Figure 1.)

Leur suspect immédiat était le champ magnétique car ils savaient que la force gravitationnelle de HD 43317 n’était pas assez forte à elle seule pour amortir les basses fréquences. Cette particularité les a amenés à émettre l’hypothèse que, quel que soit le champ magnétique existant à l’intérieur de l’étoile, il doit être suffisamment puissant pour supprimer les modes g à basse fréquence, ne laissant émerger que les modes g à fréquence plus élevée (Figure 4).

Illustration 4 : Les auteurs de cet article modifient le champ magnétique au cœur de leurs modèles d’étoiles et mesurent les fréquences des modes g résultants. Ceux-ci sont tracés en tant que différents styles de marqueurs. Les points de données qui correspondent aux fréquences observées dans HD 43317 sont ensuite en gras, et les auteurs ont pu lire la coupure là où cela se produit, déterminant ainsi le champ magnétique interne à HD 43317. (Figure 3 dans l’article d’aujourd’hui.)

Pour tester cela, ils prennent un ensemble de modes g observés (c’est-à-dire des formes particulières des harmoniques sphériques associées à la gravité, comme illustré à la figure 2) et un échantillon d’intensité de champ magnétique, et les font interagir. La fréquence résultante de l’onde qui survit dans leurs modèles est tracée le long de l’axe des x par intensité de champ B. Certaines de ces tentatives n’ont pas été observées dans HD 43317, et elles sont tracées sous forme de points non gras. Cependant, ils délimitent les fréquences qui fais faire correspondre l’observation avec les points en gras. Une fois qu’ils ont fini d’échantillonner de nombreuses intensités de champ B différentes, ils ont examiné leur graphique et ont réalisé qu’il y avait une intensité de coupure qu’ils pouvaient dessiner sous forme de ligne horizontale sur l’axe y, révélant l’intensité du champ magnétique qui doit être dans l’étoile et produisant les observables en surface. Ils déterminent qu’un champ de cette intensité supprimerait les modes g sous la ligne horizontale, expliquant l’absence de modes basse fréquence. Par conséquent, ils trouvent la force du champ magnétique à l’intérieur de l’étoile sur la ligne horizontale de la figure 4 !

Astrobite édité par H Perry Hatchfield

Crédit image en vedette : thehollywoodgossip.com et la chaîne YouTube SpaceRip

À propos de Lindsay De Marchi

Lindsay DeMarchi est actuellement étudiante diplômée à la Northwestern University. Elle est obsédée par la gravité et utilise des méthodes multi-messagers pour analyser les derniers instants de l’effondrement stellaire.

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