À l'intérieur des étoiles, le transport de l'énergie se fait de deux façons. Dans certaines couches, la matière est brassée par la convection, un phénomène comparable aux mouvements de l'eau qui bout. Dans les zones radiatives, l'énergie est transportée par les photons, sans mouvement de matière.
Pourtant, même en l'absence de convection, ces régions ne sont pas statiques. Des ondes internes de gravité, des instabilités et des courants à grandes échelles y génèrent un mélange chimique bien plus important que prévu. Ces phénomènes, encore mal compris, influencent directement l'évolution de la rotation et de la composition chimiques des étoiles.
Un pont inattendu entre océanographie et astrophysique
Pour mieux comprendre ces phénomènes, un chercheur du CEA-Irfu a fait appel à l'océanographie. À première vue, les océans terrestres et l'intérieur des étoiles n'ont rien en commun. Pourtant, ils obéissent aux mêmes lois de la physique des fluides. Dans les deux cas, il s'agit de fluides stratifiés, gouvernés par la force d'Archimède, qui fait monter ou descendre une parcelle de fluide selon qu'elle est plus légère ou plus dense que son environnement, et par la force de Coriolis, due à la rotation de la Terre ou de l'étoile, qui dévie les mouvements des fluides. C'est sous l'action combinée de ces deux effets que se propagent les ondes internes de gravité et que s'organisent les grands mouvements observés dans les océans comme dans les zones radiatives des étoiles.
Les étoiles vibrent en permanence, avec des oscillations de deux types : les ondes acoustiques (dans les couches superficielles) ou de gravité (au sein des zones radiatives profondes) :
En analysant les très faibles variations de luminosité des étoiles, les astrophysiciens peuvent détecter ces oscillations et en déduire les mouvements qui se produisent en profondeur. Les observations d'étoiles de masse intermédiaire (entre deux et huit fois la masse de notre Soleil) ont ainsi révélé des mouvements internes bien plus importants que prévu.
En s'inspirant de modèles développés pour décrire le mélange des eaux océaniques, le CEA-Irfu a établi un lien entre l'efficacité du transport de matière dans les étoiles et l'énergie dissipée par les fluctuations induites par les ondes et la turbulence.
Une nouvelle explication du mélange chimique dans les étoiles
Cette approche reproduit naturellement les résultats des simulations numériques les plus récentes. Elle explique pourquoi l'intensité du mélange chimique varie d'une étoile à l'autre en fonction de sa structure interne et de sa vitesse de rotation.
Ces résultats apportent une nouvelle compréhension des mécanismes qui façonnent l'évolution des étoiles au cours de leur vie.
« Ces travaux montrent qu'une même physique peut s'appliquer à des environnements aussi différents que les océans terrestres et le cœur des étoiles. Les outils développés pour comprendre les courants océaniques pourraient ainsi éclairer plusieurs questions majeures de l'astrophysique, en particulier l'évolution de la rotation des étoiles et de leur composition chimique. », conclut Stéphane Mathis, Chercheur au CEA-Irfu
Figure 2 : ondes internes de gravité se propageant au nord de l'Ile de Trinidad (crédits :ISS Crew Earth Observations experiment (expedition 34 crew) and Image Science & Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center)
Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet ERC Synergy 4D-Star, réunissant la KU Leuven, le CEA, l'Université de Toulouse et le Dartmouth College), qui vise à percer les mystères de la dynamique interne des étoiles. Ils constituent une avancée qui ouvre la voie à une meilleure compréhension des processus physiques régissant le cœur des étoiles.