Amplitude and frequency modulations of oscillation modes in hot B subdwarf and white dwarf stars from Kepler photometry

par Weikai Zong

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Stéphane Charpinet et de Gérard Vauclair.

  • Titre traduit

    Modulations d’amplitude et de fréquence des modes d’oscillation dans les étoiles sous-naines de type B et les naines blanches observées par le télescope spatial KEPLER


  • Résumé

    Les interactions non linéaires entre modes de pulsation, induisant des modulations d'amplitude et de fréquence, sont difficiles à mettre en évidence avec les télescopes au sol en raison des temps caractéristiques en jeu, de l'ordre de la semaine, du mois, ou même de l'année. L'avènement des télescopes spatiaux comme KEPLER (opéré par la NASA) a considérablement changé la donne en apportant de nouvelles données pour ce domaine de recherche. Dans cette thèse, nous analysons les données photométriques obtenues avec KEPLER pour 24 étoiles compactes pulsantes, incluant 18 étoiles sous-naines de type B (sdB) et 6 naines blanches. Nous établissons que les modulations d'amplitude et de fréquence des modes d'oscillation sont un phénomène courant dans ces étoiles. Nous étudions en particulier deux étoiles : KIC 0862602, une naine blanche pulsante de type DB, et KIC 10139564, une étoile sdB variable à courtes périodes. KIC 0862602 et KIC 10139564 ont été observées sans interruption par KEPLER en cadence rapide pendant deux années pour la première et plus de trois ans pour la seconde. En analysant en détail ces données photométriques de très haute précision, nous mettons en évidence différents types de comportements affectant les composantes de triplets induits par la rotation stellaire. Les fréquences et amplitudes de ces modes montrent des variations soi périodiques soi irrégulières, ou demeurent constantes. Ces comportements peuvent être connectés à ceux prédits par les équations d'amplitude dans le cas de couplages non linéaires résonants entre modes, en particulier pour les temps caractéristiques des modulations. De plus, nous montrons que les modes en résonance constituant les triplets peuvent également interagir avec des modes extérieurs par le biais d'autres formes de résonances telle que la résonance à trois modes v 0 ~ v 1 + v 2 , une situation qui n'est pas prise en compte dans le cadre théorique existant. Ces études apportent pour la première fois une preuve claire de l'existence de mécanismes de couplages non linéaires entre modes d'oscillations dans les pulsateurs compacts. Cette découverte résonne comme un avertissement pour les projets visant à mesurer les taux de changement des périodes dus à l'évolution dans les étoiles compactes en général. Les modulations de fréquence d'origine non linéaire peuvent potentiellement empêcher toute mesure fiable de ces taux, à moins de corriger ces effets auparavant. Les modulations observées caractérisées dans cette thèse apportent un regard nouveau sur "l'astérosismologie non linéaire" et appellent à revisiter les méthodes d'analyse des courbes de lumière pour en extraire les modes d'amplitude et de fréquence variables. Dans un futur proche, nous anticipons davantage d'attention portée à ces phénomènes non inéaires dans différents types d'étoiles pulsantes observées depuis l'espace, ainsi qu'un regain d'intérêt pour la théorie non linéaire des oscillations stellaires en général.


  • Résumé

    Nonlinear mode interactions, inducing amplitude and frequency modulations, are difficult to observe from ground-based telescopes as these typical timescales of the modulations are of the order of weeks, months, or even years. The launch of space telescopes such as Kepler (operated by NASA) has tremendously changed the situation by providing new data for this research field. In this thesis, we analyze the Kepler photometric data observed for 24 compact pulsators, including 18 hot B subdwarf (sdB) stars and six white dwarf stars. We find that it is a common phenomenon that oscillation modes in these pulsating stars show amplitude and/or frequency variations. We focus in particular on two stars, KIC 08626021, a DB white dwarf, and KIC 10139564, a short period sdB star. KIC 08626021 and KIC 10139564 have been monitored by Kepler in short-cadence mode for nearly two years and more than three years without interruption, respectively. By analyzing in depth these high-quality photometric data, we find that the modes within triplets induced by rotation clearly reveal different types of behaviors : their frequency and amplitude may exhibit either periodic or irregular modulations, or remain constant. These various behaviors can be linked to those predicted within the amplitude equation formalism in the case of the nonlinear resonant mode coupling mechanism, particularly for the modulation timescales. Furthermore, we find that the triplet resonance modes can also interact with outside modes through other types of resonances such as the three-mode resonance v 0 ~ v 1 + v 2 , which is not considered within the current nonlinear theoretical frameworks. These findings constitute the first clear evidence of nonlinear resonant mode couplings occurring in compact pulsators. This should resonate as a warning to projects aiming at measuring the evolutionary change rate of pulsation periods in compact stars in general. Nonlinear modulations of the frequencies can potentially jeopardize any attempt to measure reliably such rates, unless they can be corrected beforehand. The observed modulations characterized in this thesis provide new insights to "nonlinear asteroseismology" and call for new methods to process the signals of variable modes from the observed light curves. We foresee that increasing attention will focus on these nonlinear phenomena in various types of pulsating stars observed from space in the near future, thus reviving interest in the nonlinear oscillation theory in general.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2016 par Université Paul Sabatier, Toulouse 3 [diffusion/distribution] à Toulouse

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  • Sous le titre : Amplitude and frequency modulations of oscillation modes in hot B subdwarf and white dwarf stars from Kepler photometry
  • Détails : 1 vol. (157 p.)
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