Les astronomes appellent communément les étoiles massives les usines chimiques de l'Univers. Ils finissent généralement leur vie dans des supernovae spectaculaires, événements qui forgent de nombreux éléments du tableau périodique. La façon dont les noyaux élémentaires se mélangent au sein de ces énormes étoiles a un impact majeur sur notre compréhension de leur évolution avant leur explosion. Elle représente également la plus grande incertitude pour les scientifiques qui étudient leur structure et leur évolution.

Une équipe d'astronomes dirigée par May Gade Pedersen, chercheur postdoctoral à l'Institut Kavli de physique théorique de l'UC Santa Barbara, ont maintenant mesuré le mélange interne au sein d'un ensemble de ces étoiles en utilisant des observations d'ondes de leurs intérieurs profonds. Alors que les scientifiques ont déjà utilisé cette technique, cet article marque la première fois que cela a été accompli pour un si grand groupe d'étoiles à la fois. Les résultats, Publié dans Astronomie de la nature , montrer que le brassage interne est très diversifié, sans dépendance claire de la masse ou de l'âge d'une étoile.

Les étoiles passent la majorité de leur vie à fusionner de l'hydrogène en hélium au plus profond de leur cœur. Cependant, la fusion dans les étoiles particulièrement massives est si concentrée au centre qu'elle conduit à un noyau convectif turbulent semblable à une casserole d'eau bouillante. Convection, ainsi que d'autres processus comme la rotation, élimine efficacement les cendres d'hélium du cœur et les remplace par l'hydrogène de l'enveloppe. Cela permet aux étoiles de vivre beaucoup plus longtemps que prévu.

Les astronomes pensent que ce mélange résulte de divers phénomènes physiques, comme la rotation interne et les ondes sismiques internes dans le plasma excité par le noyau de convection. Cependant, la théorie est restée en grande partie sans contrainte par les observations car elle se produit si profondément dans l'étoile. Cela dit, il existe une méthode indirecte pour scruter les étoiles :l'astérosismologie, l'étude et l'interprétation des oscillations stellaires. La technique a des parallèles avec la façon dont les sismologues utilisent les tremblements de terre pour sonder l'intérieur de la Terre.

"L'étude des oscillations stellaires remet en question notre compréhension de la structure et de l'évolution stellaires, " a déclaré Pedersen. "Ils nous permettent de sonder directement les intérieurs stellaires et de faire des comparaisons avec les prédictions de nos modèles stellaires."

Pedersen et ses collaborateurs de la KU Leuven, l'Université de Hasselt, et l'Université de Newcastle ont pu dériver le mélange interne pour un ensemble de telles étoiles en utilisant l'astérosismologie. C'est la première fois qu'un tel exploit est réalisé, et n'a été possible que grâce à un nouvel échantillon de 26 étoiles de type B à pulsations lentes avec des oscillations stellaires identifiées de la mission Kepler de la NASA.

Les étoiles de type B à pulsations lentes sont entre trois et huit fois plus massives que le Soleil. Ils se dilatent et se contractent sur des échelles de temps de l'ordre de 12 heures à 5 jours, et peut changer de luminosité jusqu'à 5%. Leurs modes d'oscillation sont particulièrement sensibles aux conditions proches du cœur, Pedersen a expliqué.

"Le mélange interne à l'intérieur des étoiles a maintenant été mesuré par observation et s'avère être diversifié dans notre échantillon, avec certaines étoiles n'ayant presque aucun mélange tandis que d'autres révèlent des niveaux un million de fois plus élevés, " a déclaré Pedersen. La diversité s'avère sans rapport avec la masse ou l'âge de l'étoile. il est principalement influencé par la rotation interne, bien que ce ne soit pas le seul facteur en jeu.

"Ces résultats astérosismiques permettent enfin aux astronomes d'améliorer la théorie du mélange interne des étoiles massives, qui est jusqu'ici restée non calibrée par des observations venant tout droit de leurs intérieurs profonds, " elle a ajouté.

La précision avec laquelle les astronomes peuvent mesurer les oscillations stellaires dépend directement de la durée d'observation d'une étoile. L'augmentation du temps d'une nuit à un an entraîne une augmentation de mille fois de la précision mesurée des fréquences d'oscillation.

"May et ses collaborateurs ont vraiment montré la valeur des observations astérosismiques en tant que sondes des intérieurs profonds des étoiles d'une manière nouvelle et profonde, " a déclaré Lars Bildsten, directeur du KITP, le professeur Gluck de physique théorique. "Je suis impatient de voir ce qu'elle trouvera ensuite."

Les meilleures données actuellement disponibles pour cela proviennent de la mission spatiale Kepler, qui a observé la même partie du ciel pendant quatre années consécutives. Les étoiles de type B à pulsation lente étaient les étoiles à pulsation de masse la plus élevée observées par le télescope. Alors que la plupart d'entre eux sont légèrement trop petits pour devenir une supernova, elles partagent la même structure interne que les usines chimiques stellaires plus massives. Pedersen espère que les informations tirées de l'étude des étoiles de type B feront la lumière sur le fonctionnement interne de leur masse plus élevée, homologues de type O.

Elle prévoit d'utiliser les données du Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA pour étudier des groupes d'étoiles oscillantes de grande masse dans des associations OB. Ces groupes comprennent 10 à plus de 100 étoiles massives entre 3 et 120 masses solaires. Les étoiles des associations OB sont nées du même nuage moléculaire et partagent des âges similaires, elle a expliqué. Le grand échantillon d'étoiles, et la contrainte de leurs âges communs, offre de nouvelles opportunités passionnantes pour étudier les propriétés de mélange interne des étoiles de grande masse.

En plus de dévoiler les processus cachés dans les intérieurs stellaires, la recherche sur les oscillations stellaires peut également fournir des informations sur d'autres propriétés des étoiles.

"Les oscillations stellaires nous permettent non seulement d'étudier le mélange interne et la rotation des étoiles, mais aussi déterminer d'autres propriétés stellaires telles que la masse et l'âge, " a expliqué Pedersen. " Bien qu'il s'agisse de deux des paramètres stellaires les plus fondamentaux, ils sont aussi parmi les plus difficiles à mesurer."