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par Patrick Guillout - 10 octobre 2008

- Populations stellaires jeunes du voisinage solaire

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’’.

  • Observations

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. La mise à jour avec la version 2 du catalogue Tycho à permis d’augmenter ce nomnbre de source de 30% environ (en particulier pour les étoiles les plus tardives - cf figure).

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Distribution sur le ciel et densité des sources X stellaires RASS-Tycho2.

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 spectrale 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, détruite trés facilement dans les enveloppes convectives des étoiles, est un bon estimateur statistique de l’âge. Les résultats sont en cours de publication.

  • Modélisation

L’étude de l’évolution locale récente de la Galaxie se fait aussi via le modèle de synthèse de populations stellaire en rayons X développé à Strasbourg.

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Principe et prédictions du modèle de synthèse de popultions stellaires en rayons X.

En se basant sur une modélisation de la distribution des étoiles dans la Galaxie et sur ce que l’on connait de leur émission X et de son évolution temporelle, il est possible de construire un modèle capable de prédire le contenu stellaire des cartographies en rayons X. Ce modèle (dont les ingrédients, le fonctionnement et les prédictions sont expliqués sommairement sur la figure ci-contre) servira ensuite d’outil d’interprétation des comptages d’étoiles en rayons X. Le modèle developpé initialement pour le satellite ROSAT est en constante évolution. Aprés une mise à jour dédiée à XMM-Newton et une diversification des prédictions du modèle (paramètres cinématiques des étoiles et indices de dureté attendus pour les différentes bandes d’énergies XMM), une première amélioration concerne la prise en compte des caractéristiques du plasma coronal (fonction de la masse et de l’âge).

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Fonctions de luminosité X synthétiques.

Une seconde amélioration, à venir, vise les fonctions de luminosité X (XLFs). En couplant les modèles théoriques de l’évolution stellaire avec une relation reliant mécanisme dynamo et émission X stellaire, un code produisant des XLFs d’amas galactiques synthétiques d’âges variés a été développé. Dans l’état actuel des modèles, les XLFs synthétiques reproduisent la baisse de l’activité stellaire avec l’âge ainsi que la forme de celles observées dans les Pléiades et les Hyades. Outre son intérêt pour tester les modèles d’évolutions et de la théorie dynamo, cette étude permettra de modéliser plus finement la dépendance de l’activité stellaire avec l’âge et la masse dans le modèle de synthèse de population et ainsi d’en affiner la subdivision en âge. La mise à jour de ce modèle [thèse de J. Mignemi en co-tutelle avec l’observatoire de Catane, Sicile] et la confrontation avec l’échantillon observé à l’OHP sont en cours.

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Simulation de la distribution des étoiles jeunes du voisinage solaire telle qu’elle pourrait apparaitre à un un niveau de flux 10 fois plus faible que celui de la cartographie totale du ciel éffectuée par le satellite ROSAT. A de telle sensibilité, facilement atteinte par le satellite XMM-Newton, l’observation du ciel en rayons X devrait dévoiler la ceinture du Gould.

La comparaison du modèle à diverses observations XMM à basses latitudes galactiques montre que les étoiles géantes K peuvent jouer un rôle significatif dans le contenu stellaire des surveys en rayons X mous.


- Moving group


- Etoiles T-Tauri isolées et post-T-Tauri


- Thèse : Etude du contenu stellaire des cartographie en rayons X Application aux observations du satellite ROSAT

Résumé : Les premiers pas de l’astronomie X stellaire remontent à 1975, lorsque pour la première fois, les astronomes détectèrent une émission en rayons X provenant de Capella, étoile la plus brillante de la constellation du Cocher. Cette découverte, environ trente ans après la détection de l’émission X coronale du soleil en 1948, annoncait le début d’une science nouvelle. Après des débuts difficiles en raison de la sensibilité insuffisante des détecteurs de l’époque, le lancement du satellite Einstein en 1978 changea radicalement la situation, faisant de l’astronomie X stellaire une branche à part entière de l’astrophysique moderne.

Une nouvelle étape fut franchie, en 1990, suite au lancement du satellite X ROSAT (bande d’énergie 0.1 - 2.4 keV). Doté d’une sensibilité 10 à 100 fois supérieure à celle de ses prédécesseurs, ROSAT permit la découverte d’un nombre de sources sans précédent au cours de sa cartographie totale du ciel en rayons X effectuée lors des six premiers mois consécutifs à son lancement (ROSAT All-Sky Survey, RASS). Ce relevé complet du ciel en rayons X souleva immédiatement un certain nombre de questions. Que sont ces objets détectés en si grand nombre ? Des étoiles ? Des systèmes accrétants ? Des galaxies ? Des amas de galaxies ? Comment sont-ils répartis sur la voute céleste ? Dans quelle proportion les a-t-on détectés ? A-t-on détecté une nouvelle classe d’objets encore inconnue ?

Le premier objectif de ce travail de thèse est de répondre à un certain nombre de ces questions. L’identification systématique des 60000 sources X contenues dans la cartographie ROSAT est, bien entendu, hors de portée des moyens actuels mis à la disposition des astronomes. Pour pallier à cette difficulté, l’approche que nous avons suivie utilise des échantillons de sources X détectées à basse latitude galactique, ce choix favorisant la détection des étoiles sur lesquelles est axée cette étude. La méthode consiste alors à identifier jusqu’à un certain niveau de flux, à partir de catalogues astronomiques (SIMBAD) et au télescope, l’ensemble des sources X contenues dans deux régions tests suffisamment grandes ( 70 degrés carrés chacune) pour être statistiquement représentatives de la population émettrice du plan galactique. C’est ainsi que j’ai eu l’opportunité d’assurer environ 50 nuits d’observations sur les télescopes de 1.2 et 1.93 mètre de l’Observatoire de Haute Provence (OHP). Au total, ce sont plus de 140 sources X qui ont ainsi été identifiées par des méthodes d’observations photométriques et/ou spectroscopiques. Cette étude nous a permis de mettre en évidence l’importance numérique des couronnes actives qui représentent, selon nos estimations, près de 90 % des sources X plus brillantes que 0.03 ct/s dans le plan de notre Galaxie. A ce niveau de flux, le faible pourcentage de sources non identifiées montre qu’il n’existe pas de classe d’objets encore inconnus et nombreux émettant une fraction importante de leur énergie en rayons X.

La suite de ce travail de thèse s’intéresse plus particulièrement à la composante stellaire détectée en rayons X. Les théories en cours suggèrent que le mécanisme responsable de l’activité coronale des étoiles de type tardif dépend de la structure stellaire au travers des propriétés de la zone convective, de la rotation, de la dissipation du champ magnétique et de la turbulence. En terme général, un mécanisme identique à celui opérant dans notre soleil. Ayant en notre possession à la fois des données X et optiques, nous avons démontré la très bonne corrélation existant entre l’activité chromosphérique et l’activité coronale pour l’ensemble des étoiles de notre échantillon. Applicable sur plus de trois ordres de grandeurs, cette relation montre bien l’origine commune des mécanismes responsables de l’activité à ces deux niveaux de l’atmosphère stellaire. Nous avons également mis à profit cette corrélation pour discuter le problème de "fausse identification" soulevé par les méthodes visant à identifier une source par simple coïncidence de position entre source X et optique.

L’âge des étoiles est une des propriétés physiques les plus difficiles à mesurer, sa détermination faisant généralement appel à des modèles de structure interne et d’évolution. Pour tenter d’estimer, au moins de manière statistique, l’âge des étoiles détectées par ROSAT dans nos deux régions tests, nous avons utilisé une méthode basée sur l’abondance photosphérique du Lithium. Pour une fraction significative des étoiles observées, l’abondance de cet élément est suffisamment élevée pour être compatible avec un âge similaire à celui de l’amas des Hyades (700 millions d’années) ou plus jeune encore. Dans certains cas, les mesures sont de l’ordre de celles de l’abondance primordiale, suggérant des étoiles encore dans leurs phase de contraction vers la séquence principale.

Le second objectif de cette thèse est de tester si le nombre et les caractéristiques des sources stellaires détectées dans nos deux régions tests sont compatibles et dans quelle mesure, avec "l’image" que nous nous faisons de la structure et de l’histoire de notre Galaxie d’une part, et de l’évolution (au sens large du terme) des étoiles d’autre part. Pour répondre à cette question, nous avons utilisé une "approche synthétique". Celle-ci consiste à faire un certain nombre d’hypothèses basées sur des idées à priori et de générer, par l’intermédiaire d’un modèle, des diagrammes directement comparables à ceux observés et pour lesquels nous connaissons parfaitement bien les propriétés intrinsèques des étoiles et les paramètres d’évolution. Ainsi, en nous basant sur une modélisation de la distribution des étoiles et sur ce que nous connaissons de leur émission X et de l’évolution temporelle de cette dernière, nous avons construit un modèle capable de prédire le contenu stellaire des cartographies en rayons X limitées en flux ou en distance. La comparaison des observations à basse (régions tests) et haute (Einstein Medium Sensitivity Survey, EMSS) latitude galactique avec les prédictions du modèle a montré les excellentes capacités de ce dernier à reproduire aussi bien le nombre total de sources X stellaires que leur distribution en indice de couleur (B - V). Des constatations simples nous permettent de tirer des conclusions intéressantes quant à la contribution des couronnes stellaires à la cartographie totale du ciel de ROSAT. L’analyse des prédictions du modèle en terme de classe d’âges montre clairement que la majorité des étoiles détectées au dessus d’un taux de comptage de l’ordre de 0.01 ct/s sont des objets âgés de moins de 1 milliard, voire 150 millions d’années pour les sources X stellaires situées à basse latitude galactique. Cette conclusion est d’ailleurs largement corroborée par les mesures d’abondance photosphérique en Lithium des étoiles de notre échantillon. Ce modèle s’est révélé être un outil puissant pour interpréter les données ainsi que pour aider à définir les observations les plus à même de nous renseigner sur un paramètre donné. Il nous a dès lors été possible d’apporter de nouvelles contraintes sur certains paramètres d’évolution galactique en utilisant une méthode neuve, originale et totalement indépendante de celles utilisées par les travaux antérieurs dans ce domaine de recherche. En particulier, nous avons pu montrer que les données sont incompatibles avec un taux de formation d’étoiles trop fortement décroissant lors des derniers milliards d’années mais s’accomodent parfaitement bien d’un taux de formation d’étoiles constant.

Cette étude prise dans son ensemble montre que les observations stellaires en rayons X s’insèrent parfaitement dans un scénario d’évolution physique et dynamique des étoiles tel qu’il nous est apparu au cours des dernières décennies. Ce travail de thèse constitue la première étape d’un projet plus vaste visant à une meilleure compréhension des processus d’évolution de notre Galaxie. Suite à cette étude, il apparaît clairement que la cartographie totale du ciel en rayons X de ROSAT, alliée à notre modèle, constitue un ensemble base de données - outil d’interprétation performant pour sélectionner et étudier un grand ensemble d’étoiles très jeunes. Cette méthode permet en outre une grande fiabilité de sélection grâce à un taux de contamination par des étoiles vieilles extrêmement faible. Enfin, comme tous les autres, notre modèle est un fil qui lie la théorie aux observations, permettant ainsi d’étudier les implications observationnelles d’une hypothèse théorique aussi bien que les implications théoriques d’une observation.