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Thèse

par Alexis Klutsch - 5 septembre 2008

"Caractérisation physique et cinématique de la population d’étoiles actives en rayons X au voisinage solaire"

L’astronomie X stellaire est une discipline assez récente qui a pris un réel essor à la suite de la mission spatiale du satellite Einstein (1978-1981). Une de ces découvertes majeures, bien qu’inattendue, fut l’universalité de l’émission X (coronale) en provenance de l’ensemble des étoiles du diagramme de Hertzsprung-Russell (HR). Dès lors, de nombreuses études ont montré que les paramètres stellaires dits “classiques” (couleur, magnitude absolue, gravité) n’influaient que très peu sur l’intensité de l’émission X dont l’origine est liée à des phénomènes d’origine magnétique. En effet, cette émission semble être produite par l’activité magnétique superficielle engendrée par le phénomène Dynamo lors de la circulation du plasma stellaire. Ce dernier est entraîné par la rotation différentielle des couches de convection sous la photosphère.

Suite au lancement du satellite ROSAT (1990), la connaissance de la composition du ciel dans la bande des rayons X mous s’appuya principalement sur la détection de plus de 150000 sources X lors d’un relevé exhaustif du ciel : ROSAT All-Sky Survey (RASS). Malheureusement, les données X, à elles seules, ne suffisent pas à identifier sans ambiguïté une source X à une classe d’objets astrophysiques. Au milieu des années 90, des observations multi-longueurs d’onde visant à identifier formellement l’ensemble des sources X dans de petites zones du ciel permirent de mettre en évidence que la composante stellaire est majoritairement constituée d’étoiles tardives (G-K) d’âge inférieur au milliard d’années. À présent, il est donc bien établi que l’émission X stellaire est un excellent traceur des étoiles (très) jeunes.

Bien que le scénario de l’histoire de la formation stellaire dans notre galaxie soit assez bien connue de sa naissance jusqu’à il y a quelques milliards d’années, paradoxalement le taux récent de formation d’étoiles est, quant à lui, très mal déterminé. Ceci est principalement du à la difficulté de sélectionner les étoiles jeunes de champ noyées dans la population ambiante du plan galactique. L’utilisation de l’émission X comme traceur à grande échelle (sur tout le ciel) de la population d’étoiles nées au voisinage du Soleil lors du dernier milliard d’années constitue donc une approche intéressante pour palier aux difficultés rencontrées par les méthodes "classiques’’.

C’est dans le cadre de cette problématique qu’a été constitué, en 1998, l’échantillon RasTyc, résultat de la corrélation croisée du catalogue RASS avec le catalogue TYCHO (expérience spatiale HIPPARCOS). Cet ensemble d’environ 14000 étoiles statistiquement identifiées avec une source de rayons X mous est encore le plus grand et le plus homogène échantillon construit à ce jour. Dans l’optique d’obtenir une caractérisation physique et cinématique des étoiles jeunes du voisinage solaire, nous avons mené, pour plus de 800 étoiles, un programme d’observations spectroscopiques à haute résolution sur des télescopes européens de la classe des 1-4 mètres.

Dans le cadre d’un programme clé (OHP, France), nous avons ainsi pu observer plus de 500 étoiles dans deux régions spectrales centrées autour de la raie Hα et de celle du Lithium. La raie Hα est l’un des meilleurs diagnostics de l’activité chromosphérique, tandis que la raie du Lithium est un bon estimateur de l’âge.

Nous utilisons des méthodes d’analyse informatisées et automatisées qui se basent sur une approche synthétique et sur la corrélation croisée pour dériver la majorité des paramètres physiques de nos sources. Chaque spectre synthétique est construit pour être du même type spectral et de la même résolution que le spectre observé. À partir de cette procédure et de l’étude des variations de la vitesse radiale par décalage Doppler, nous pouvons en déduire si le spectre observé est celui d’une étoile isolée, d’un système double, d’un système triple ou bien d’un système de multiplicité plus élevée. Les paramètres orbitaux de ces systèmes multiples ont pu être déterminés avec une excellente précision grâce à la qualité des observations spectroscopiques (haute résolution et rapport signal/bruit élevé).

Afin de déterminer les paramètres astrophysiques (température effective, gravité, métallicité, vitesse de rotation projetée) aussi bien pour les étoiles simples que pour les systèmes multiples, nous procédons à l’ajustement des spectres observés par des spectres d’étoiles de référence, peu ou pas actives et pauvre en Lithium, en utilisant la méthode de moindres carrés. En appliquant la technique dite "de soustraction spectrale", nous pouvons estimer la luminosité chromosphérique à partir de la raie Hα. Pour chacune de nos étoiles, nous disposons ainsi de deux mesures de l’activité à différents niveaux des couches externes de l’atmosphère stellaire. L’échantillon RasTyc, de part son homogénéité et sa taille, est bien adapté pour étudier la dépendance de l’activité chromosphérique et coronale avec les paramètres stellaires et, en particulier, pour identifier ceux qui conditionnent son intensité.

L’âge est un paramètre extrêmement difficile à déterminer pour une étoile de champ, néanmoins, en appliquant une méthode empirique consistant à comparer, pour chacune de nos étoiles, l’abondance en Lithium (dérivée par soustraction spectrale) à celles observées dans des amas d’âge connu, nous sommes en mesure d’estimer un âge statistique pour chacune d’elles. Notre étude a permis de montrer qu’environ 70 % des étoiles observées ont un âge inférieur au milliard d’années. En particulier, nous trouvons que plus de la moitié des étoiles est âgée de moins de 300 millions d’années. \medskip

Des études récentes ont permis de mettre en évidence au voisinage du Soleil de nombreux courants d’étoiles jeunes dont l’origine est encore assez mal connue. L’identification de nouveaux membres voire même la découverte de courant(s) encore inconnu(s) revêt une importance considérable pour contraindre les modes de formation stellaire et les mécanismes de dissolution des amas. Afin de déterminer de manière quantitative l’appartenance de nos étoiles les plus jeunes (sur la base de leurs abondances en Lithium) aux 5 courants les plus connus, nous avons développé deux méthodes de calcul basées sur l’analyse des paramètres cinématiques. Ces méthodes qui permettent d’attribuer à chaque étoile une probabilité d’appartenance à chacun de ces courants nous ont conduit à la découverte d’une trentaine de nouveaux membres dont 5 très bons candidats au statut d’étoiles post-T Tauris.

L’analyse des cartographies du ciel en rayons X mous suppose généralement que la composante stellaire est constituée majoritairement d’étoiles jeunes de séquence ou de pré-séquence principale. En revanche, la contamination par des systèmes plus évolués pour lesquels le haut degré d’activité magnétique n’est pas lié à l’âge mais à la synchronisation des périodes rotationnelle et orbitale est généralement ignorée (à cause du manque de connaissance de cette population). L’étude détaillée des binaires non-résolues identifiées comme des systèmes évolués de type RS CVn a montré que leur fraction au sein de notre échantillon est de l’ordre de 20% en moyenne et atteint plus de 50 % si l’on ne considère que les étoiles K. Ce résultat nous a conduit à modéliser leur contribution dans le modèle de population stellaire en rayons X de Besanç con. Les résultats montrent que le modèle reproduit assez bien les ordres de grandeur observés.

Ce travail a permis d’apporter des informations cruciales sur les caractéristiques physiques et cinématiques d’un échantillon représentatif du contenu stellaire des cartographies en rayons X mous. Il constitue une étape indispensable pour aboutir à une meilleure compréhension de l’histoire récente de formation d’étoiles dans l’environnement proche du Soleil. Grâce à la qualité des données, nous avons pu identifier de nouveaux membres de courants d’étoiles jeunes au voisinage du Soleil ainsi que de très bons candidats au statut d’étoiles post-T Tauris. Étant donné leur âge et leur proximité, ces étoiles sont d’une importance capitale pour comprendre l’évolution des disques circumstellaires, en particulier, la phase de transition disque-planètes et les disques de débris. La contamination par des systèmes de type RS CVn s’est révélée ne pas être négligeable contrairement aux hypothèses généralement faites. La comparaison de l’ensemble de ces observables avec les prédictions du modèle de populations stellaires en rayons X permettra d’établir de nouvelles contraintes sur le taux de formation d’étoiles et l’échelle de hauteur des étoiles jeunes ainsi que sur les inhomogénéités dans la distribution locale des étoiles jeunes.

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