Pourquoi le cœur des étoiles tourne moins vite que prévu
Les étoiles, tout comme la Terre, effectuent une rotation sur elles-mêmes. Cependant, les modèles théoriques prédisent que, en raison de la viscosité du plasma, le cœur d’une étoile devrait tourner beaucoup plus rapidement que ses couches externes. Pourtant, les mes d’astérosismologie, une méthode qui analyse les déformations de la surface des étoiles pour sonder leur structure interne, révèlent une différence de vitesse entre le cœur et les couches externes bien inférieure aux attentes.
Ludovic Petitdemange, de l’observatoire de Paris, et ses collègues ont identifié un mécanisme physique susceptible d’expliquer cette anomalie. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives sur la dynamique interne des étoiles, influençant leur température et leur durée de vie.
Le cœur des étoiles est le siège de réactions de fusion thermonucléaire, où des noyaux légers, principalement d’hydrogène, fusionnent pour former des noyaux plus lourds. Ces réactions génèrent une immense énergie, créant une pression de radiation qui équilibre le poids du gaz. Cependant, cet équilibre peut être perturbé au cours de la vie de l’étoile, entraînant une contraction du cœur.
Une telle contraction devrait théoriquement accroître la vitesse de rotation, conformément au principe de conservation du moment cinétique. En effet, une rotation plus rapide du cœur devrait, par frottement, entraîner les couches environnantes vers une vitesse uniforme. Cependant, la viscosité du plasma est insuffisante pour homogénéiser ces vitesses. En revanche, dans les zones convectives des étoiles, où le plasma est agité par des mouvements turbulents, le moment cinétique peut être redistribué, permettant une uniformisation des vitesses de rotation.
De nombreuses étoiles possèdent une couche radiative, où les écoulements de plasma sont stables et dépourvus de mouvements turbulents. Par conséquent, une variation significative de la vitesse de rotation devrait être attendue entre le cœur et l’enveloppe stellaire. Cependant, les données d’astérosismologie indiquent une absence de rotation différentielle dans des proportions bien inférieures à celles anticipées, suggérant l’existence d’un mécanisme inconnu permettant le transport de l’énergie de rotation du cœur vers la périphérie.
Une des hypothèses majeures repose sur le modèle dynamo de Tayler-Spruit, proposé initialement en 1973 par Roger Tayler et enrichi en 2002 par Hendrik Spruit. Ce modèle suggère qu’un champ magnétique interne pourrait perturber le plasma de la couche radiative, facilitant le transport de l’énergie de rotation. Ce champ magnétique pourrait être amplifié par les mouvements du plasma, selon un processus appelé « effet dynamo ». Toutefois, jusqu’à présent, aucun champ magnétique de type dynamo n’avait été observé dans la zone radiative des modèles stellaires, et la formation d’un tel champ n’avait pas été reproduite numériquement.
Les simulations réalisées par Ludovic Petitdemange et son équipe ont révélé un champ magnétique de ce type. En ajustant divers paramètres physiques, ils ont mis en évidence une configuration où un effet dynamo émergeait, réduisant progressivement la rotation différentielle.
Ce mécanisme de formation du champ magnétique est similaire au modèle de Tayler-Spruit. Dans la zone radiative, un champ initialement faible est amplifié par les mouvements du plasma, sans perturber sa stabilité. De petites perturbations induites par la rotation différentielle peuvent initier une boucle d’amplification du champ magnétique, augmentant exponentiellement son intensité. Une fois un certain seuil atteint, le plasma devient suffisamment perturbé pour générer une turbulence accrue, déclenchant une seconde boucle d’amplification. Ainsi, ce champ magnétique amplifie la turbulence, ce qui, à son tour, renforce le champ magnétique, permettant au plasma de ralentir le cœur en transférant l’énergie de rotation vers l’extérieur.
Bien que ce modèle n’ait pas encore prouvé que ces champs magnétiques sont la cause de l’absence de rotation différentielle, il offre une explication plausible. Les chercheurs s’efforcent maintenant de simuler ces champs dans des conditions plus proches de la réalité des étoiles.
Enfin, bien que ces champs magnétiques puissent constituer une solution, leur invisibilité dans les observations pose question. Ces champs sont confinés à l’intérieur des étoiles, leur intensité diminuant avec la distance au cœur. Cependant, des avancées en astérosismologie, comme la me récente d’un intense champ magnétique dans le cœur d’une étoile géante rouge, laissent entrevoir des perspectives prometteuses pour résoudre le mystère de la rotation des cœurs stellaires.
Source : Pour la Science
