Étude de la rotation des étoiles de type solaire en séquence principale, de la surface jusqu'au coeur

Studying rotation in solar-type stars, from the surface to the core

• Auteur / Autrice : Sylvain Breton
• Direction : Rafael A. García, Allan Sacha Brun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Grenier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rafael A. García, Allan Sacha Brun, Isabelle Grenier, Ana Palacios, Bernard Gelly, François Lignières, Antonino Francesco Lanza, Pere L. Pallé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ana Palacios, Bernard Gelly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles -- Rotation

Analyse des données

Héliosismologie

Astérosismologie

Astrophysique

Mots clés libres

Physique stellaire

Astérosismologie

Héliosismologie

Traitement et analyse de données

Simulation 3D

Stellar physics

Astérosismology

Héliosismology

Data analysis

3D simulation

Résumé

Cette thèse est consacrée à la caractérisation et à l'étude de la rotation dans les étoiles de type solaire en séquence principale. Être en mesure de contraindre le profil de rotation, à la fois radial et latitudinal, de cette catégorie d'étoiles, et ceci de la surface jusqu'au coeur, est en effet une problématique fondamentale si l'on veut améliorer notre compréhension de l'évolution stellaire et de l'interaction des étoiles avec leur environnement. La première partie du manuscrit est donc constituée de deux chapitres introductifs qui présentent la problématique plus vaste dans laquelle s'inscrit ce travail de thèse et rappellent les notions nécessaires à la compréhension de la suite. En particulier, les bases de la dynamique stellaire sont détaillées, ainsi que les fondements de la théorie des oscillations des étoiles en rotation. La deuxième partie du manuscrit s'intéresse aux possibilités de caractérisation de la rotation de surface des étoiles de type solaire ouvertes aujourd'hui par des missions de suivi photométrique comme le satellite Kepler. Le Chapitre 3 s'intéresse à la mesure de la rotation de surface et de l'activité magnétique dans les étoiles observées par le satellite Kepler. Il présente en particulier la méthode de machine learning ROOSTER que j'ai développée au cours de ma thèse pour analyser les courbes de lumière collectées par Kepler. Il détaille également la méthode utilisée pour construire ce qui est le plus vaste catalogue photométrique de rotation stellaire de surface disponible aujourd'hui. Le Chapitre 4 présente les perspectives d'étude de la dynamique de la zone convective ouvertes par l'existence d'un tel catalogue. Les possibilités offertes par l'indicateur d'activité photométrique Sph y sont discutées. Deux méthodes pour estimer le nombre de Rossby, un paramètre clef pour caractériser la dynamique d'un fluide en rotation, sont présentées et mises en application avec des données observationnelles. La dernière partie du manuscrit est dédiée à l'exploration de possibilités de la rotation interne des étoiles de type solaire. Le Chapitre 5 s'intéresse au cas solaire avec l'étude des nouvelles perspectives instrumentales offertes par les spectrographes échelles, le principal objectif étant d'augmenter le rapport signal sur bruit des modes d'oscillation de basse fréquence, avec comme perspective ultime pour le futur la possibilité de caractériser de manière individuelle les modes de gravité (modes g) solaires. Les données obtenues durant la campagne d'observation de l'été 2018 avec le prototype Solar-SONG sont analysées avec le module apollinaire développé au cours de ma thèse. En comparant les données Solar-SONG avec celles acquises simultanément par d'autres instruments héliosismiques, je mets en évidence les performances héliosismiques prometteuses de Solar-SONG. Le Chapitre 6 élargit la perspective de l'étude des modes g stochastiques aux étoiles de type F, plus chaudes que le Soleil. La possibilité de mettre en évidence leur signature dans ces objets est discutée grâce à une approche par la simulation 3D réalisée avec le code ASH, dans le but d'y estimer l'amplitude des ondes de gravité excitées par la convection. Ces simulations sont les premières simulations 3D d'étoiles de type F incluant l'intérieur radiatif dans le domaine de simulation. L'influence de la rotation sur l'excitation des ondes de gravité est mise en évidence. Enfin, le Chapitre 7 présente les méthodes d'analyse de données mises en place pour essayer de mettre en évidence une telle signature dans les données avec les premiers résultats d'une telle analyse. Ce chapitre final discute également les possibilités de caractérisation additionnelle offertes par la présence de compagnons non-transitants pour deux des étoiles appartenant à l'échantillon sélectionné.

This thesis is devoted to the characterisation and study of rotation in main sequence solar-type stars. Being able to constrain the rotation profile, both radial and latitudinal, of this population of stars, from the surface to the core, is indeed a fundamental problem if we want to improve our understanding of stellar evolution and of the interaction of stars with their environment. The first part of the manuscript is therefore made up of two introductory chapters that present the larger problematic in which this thesis work fits and recall the notions necessary for the understanding of the following parts. In particular, the basics of stellar dynamics are presented, as well as the foundations of the theory of oscillations of rotating stars. The second part of the manuscript focuses on the possibilities of characterising the surface rotation of solar-type stars opened by photometric monitoring missions such as the Kepler satellite. Chapter 3 focuses on the measurement of surface rotation and magnetic activity in stars observed by the Kepler satellite. In particular, it presents the ROOSTER machine learning method that I developed during my thesis to analyse the light curves collected by Kepler. It also details the method used to build what is currently the largest photometric catalogue of surface stellar rotation available today. Chapter 4 presents the prospects for studying the dynamics of the convective zone opened up by the existence of such a catalogue. The possibilities offered by the photometric activity indicator Sph are discussed. Two methods for estimating the Rossby number, a key parameter for characterising the dynamics of a rotating fluid, are presented and applied to observational data. The last part of the manuscript is dedicated to the exploration of possibilities of the internal rotation of solar-type stars. Chapter 5 focuses on the solar case with the study of new instrumental perspectives offered by échelle spectrographs, the main objective being to increase the signal-to-noise ratio of low-frequency oscillation modes, with the ultimate prospect for the future being the possibility of characterising the solar gravity modes (g-modes) individually. The data obtained during the summer 2018 observing campaign with the Solar-SONG prototype are analysed with the apollinaire module developed during my thesis. By comparing the Solar-SONG data with those acquired simultaneously by other helioseismic instruments, I highlight the promising helioseismic performance of Solar-SONG. Chapter 6 extends the perspective of the study of stochastic g-modes to F-type stars, hotter than the Sun. The possibility of detecting g-mode signatures in such objects is discussed thanks to a 3D simulation approach carried out with the ASH code, with the aim of estimating the amplitude of the gravity waves excited by convection. These simulations are the first 3D simulations of F-type stars to include the radiative interior in the simulation domain. The influence of rotation on the excitation of gravity waves is highlighted. Finally, Chapter 7 presents the data analysis methods implemented to try to highlight such a signature in the data with the first results of such an analysis. This final chapter also discusses the additional characterisation possibilities offered by the presence of non-transient companions for two of the stars belonging to the selected sample.