Activité magnétique des étoiles dans le cadre de la mission PLATO

Magnetic activity of stars in the PLATO mission

• Auteur / Autrice : Lucie Degott
• Direction : Frederic Baudin, Réza Samadi
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Astrophysique Spatiale
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physique Solaire et Stellaire
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Magnétisme

Physique stellaire

Plato

Stellar physics

Plato

Magnetism

Résumé

Le champ magnétique des étoiles est observé depuis plus d'un siècle et les taches magnétiques du Soleil depuis au moins Galilée. Cependant, la génération de ce champ magnétique stellaire reste mal comprise. Le lancement des satellites CoRoT et Kepler, capables de délivrer des mesures de précision photométrique inégalée sur des milliers d'étoiles, a ouvert de nouvelles possibilités pour la compréhension de la dynamo stellaire. En effet, la précision photométrique relative obtenue (de l'ordre de quelques 10-4 par pose sur les cibles brillantes de CoRoT) permet de détecter la présence de taches stellaires sur des centaines d'étoiles de types et tailles différents (Hulot et al., 2011, arXiv:1104.2185 ). C'est donc un véritable paysage du magnétisme stellaire qu'il est maintenant possible de dessiner. Dans le cas des étoiles brillantes, on est même désormais en mesure de distinguer des détails fins du paysage comme la rotation différentielle (ingrédient majeur de la dynamo stellaire) dans plusieurs étoiles. Ces étoiles brillantes seront justement la cible de la future mission PLATO. L'observation de milliers d'étoiles brillantes va ouvrir la voie à une étude systématique du magnétisme en relation avec une connaissance approfondie des étoiles observées grâce à l'analyse sismique que permettront aussi les données de la mission PLATO. De plus, la mission GAIA apportera elle aussi son lot d'information quant à des caractéristiques globales de l'étoile (métallicité par exemple). Ces données spatiales pourraient éventuellement être complétées par des observations spectroscopiques au sol, visant des raies atomiques sensibles à la présence de champ magnétique comme la raie K du calcium ou la raie H alpha, amenant ainsi une approche massive multi instruments et multi méthodes totalement nouvelle du magnétisme stellaire. Le travail proposé s'intégrera à la préparation de la mission PLATO, et plus particulièrement dans le développement de la chaine de traitement destinée à la production des données relatives à l'activité magnétique du Stellar Analysis System de la mission. Il consistera d'abord en la calibration des outils d'analyse des courbes de lumière des étoiles. Les outils utilisés dans ce but sont de plusieurs types. L'un des plus simples à utiliser massivement sur un grand nombre d'étoiles est l'analyse de Fourier. En effet, il est possible de détecter la signature indirecte de ces taches dans le spectre de Fourier de la courbe de lumière pour obtenir des informations similaires : période de rotation, durée de vie des taches, etc… Les outils existants et à développer seront testés avec l'utilisation  d'outils de simulation de courbes de lumière adaptés (comme celui développé au sein du  consortium PLATO, développé par l'un d'entre nous -RS- ou l'outil StarSim2, Rosich et al. A&A, 2020). Un autre outil, plus complexe sera aussi testé et calibré: il s'agit du spot modelling qui vise à caractériser les taches (taille, position sur le disque, etc...) à partir de la courbe de lumière. Le lien avec l'analyse classique de Fourier sera à analyser: retrouve-t-on bien dans les profils de Fourier une information cohérente avec celle présente dans les courbes temporelles? Cet outil de spot modelling présente cependant des limitations (solutions ambigües) mais nous proposons d'approfondir une approche complémentaire qui apporte plus de contraintes et diminue drastiquement l'ambigüité des solutions. Il s'agit d'exploiter spécifiquement la signature fine des transits planétaires : quand une planète passe devant une tache stellaire, l'intensité lumineuse augmente légèrement car la planète ne cache plus une partie brillante de la photosphère de l'étoile mais une partie sombre, menant donc à une augmentation relative de l'intensité pendant le transit (voir par exemple Valio et al, 2017, ApJ, 835, 294). L'angle d'inclinaison de l'axe de rotation de l'étoile, source majeure d'ambigüité (avec la latitude) est alors connu, tout comme la taille de la tache relativement à celle de la planète responsable du transit. L'efficacité de cette méthode a été démontrée sur quelques cibles des missions CoRoT et Kepler, et nous souhaitons en exploiter tout le potentiel avec PLATO. En effet, après le travail de mise au point et de calibration des outils, il s'agira de valider et exploiter les outils d'analyse en s'appuyant sur un échantillon plus ou moins important des dizaines de milliers de courbes de lumières obtenues par les missions CoRoT et Kepler. Il est essentiel de déterminer quelles informations fiables il est possible de tirer par cette méthode pour préparer ce type d'analyse pour la mission PLATO. Une dernière étape du travail consistera à relier les signatures associées au magnétisme en surface avec les caractéristiques globales de l'étoile ainsi que les propriétés de la convection à l'intérieur de l'étoile. Cette dernière est en effet, avec la rotation, un ingrédient majeur de la dynamo stellaire qui peut se résumer par le nombre de Rossby, bon indicateur du niveau d'activité magnétique de l'étoile. Il s'agira de raffiner éventuellement cet indicateur en s'appuyant sur l'analyse sismique de l'étoile et par la modélisation de sa structure interne qui permettent une estimation fiable de ce nombre de Rossby. Au final, ce travail produira des outils validés pour le traitement et l'exploitation des données de la mission PLATO, validation qui aura été faite en se basant sur des simulations et des données réelles (Corot, Kepler) qui pourront d'ores et déjà contribuer à une compréhension plus fine de la dynamo stellaire.

The magnetic field of stars has been observed for more than a century and the magnetic spots of the Sun since at least Galileo. However, the generation of this stellar magnetic field remains poorly understood. The launch of the CoRoT and Kepler satellites, capable of delivering measurements of unparalleled photometric precision on thousands of stars, has opened up new possibilities for understanding stellar dynamo. Indeed, the relative photometric precision obtained (of the order of a few 10-4 per pose on CoRoT's bright targets) makes it possible to detect the presence of stellar spots on hundreds of stars of different types and sizes (Hulot et al., 2011, arXiv:1104.2185 ). It is therefore possible to draw a true landscape of stellar magnetism. In the case of bright stars, we are now even able to distinguish fine details of the landscape such as the differential rotation (a major ingredient of the stellar dynamo) in several stars. These bright stars will be the target of the future PLATO mission. The observation of thousands of bright stars will pave the way for a systematic study of the magnetism in relation to an in-depth knowledge of the observed stars thanks to the seismic analysis that the PLATO mission data will also allow. In addition, the GAIA mission will also provide information on the global characteristics of the star (e.g. metallicity). These space data could eventually be complemented by ground-based spectroscopic observations, targeting atomic lines sensitive to the presence of a magnetic field such as the calcium K line or the alpha H line, thus leading to a completely new massive multi-instrument and multi-method approach to stellar magnetism. The proposed work will be part of the preparation of the PLATO mission, and more particularly in the development of the processing chain for the production of data relating to the magnetic activity of the mission's Stellar Analysis System. It will first consist of the calibration of the tools for the analysis of the starlight curves. The tools used for this purpose are of several types. One of the easiest to use on a large number of stars is the Fourier analysis. Indeed, it is possible to detect the indirect signature of these spots in the Fourier spectrum of the light curve to obtain similar information: rotation period, spot lifetime, etc. Existing and to be developed tools will be tested with the use of adapted light curve simulation tools (like the one developed within the PLATO consortium, developed by one of us -RS- or the StarSim2 tool, Rosich et al. A&A, 2020). Another, more complex tool will also be tested and calibrated: this is spot modelling, which aims to characterise the spots (size, position on the disc, etc.) from the light curve. The link with the classical Fourier analysis will be analysed: is the information in the Fourier profiles coherent with that in the time curves? This spot modelling tool has its limitations (ambiguous solutions) but we propose to develop a complementary approach that brings more constraints and drastically reduces the ambiguity of the solutions. This involves specifically exploiting the fine signature of planetary transits: when a planet passes in front of a stellar spot, the luminous intensity increases slightly because the planet no longer hides a bright part of the star's photosphere but a dark part, thus leading to a relative increase in intensity during the transit (see for example Valio et al, 2017, ApJ, 835, 294). The inclination angle of the star's rotation axis, a major source of ambiguity (along with the latitude) is then known, as is the size of the spot relative to that of the transiting planet. The effectiveness of this method has been demonstrated on some targets of the CoRoT and Kepler missions, and we wish to exploit its full potential with PLATO. Indeed, after the development and calibration of the tools, we will validate and exploit the analysis tools on a more or less large sample of the tens of thousands of light curves obtained by the CoRoT and Kepler missions. It is essential to determine what reliable information can be obtained using this method in order to prepare this type of analysis for the PLATO mission. A final step in the work will be to relate the signatures associated with surface magnetism to the overall characteristics of the star and the properties of convection in the star's interior. The latter, along with rotation, is a major ingredient of the stellar dynamo, which can be summarised by the Rossby number, a good indicator of the level of magnetic activity of the star. This indicator will eventually be refined using seismic analysis of the star and modelling of its internal structure to provide a reliable estimate of the Rossby number. In the end, this work will produce validated tools for the processing and exploitation of data from the PLATO mission, a validation that will have been carried out on the basis of simulations and real data (Corot, Kepler), which will already be able to contribute to a more detailed understanding of stellar dynamo.