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Les champs magnétiques les plus intenses jamais détectés à la surface d’étoiles froides

par Julien Morin - publié le

Les astronomes pensaient jusqu’ici que le champ magnétique moyen à la surface des étoiles froides — comme le Soleil — ne pouvait dépasser une valeur seuil d’environ 400 millitesla. Une équipe internationale incluant un enseignant-chercheur du LUPM vient de montrer que parmi ces étoiles, celles qui sont à la fois les plus froides — des étoiles naines rouges — et en rotation rapide peuvent générer des champs magnétiques plus intenses, jusqu’à près de 700 millitesla. L’étude montre par ailleurs que ces champs magnétiques intenses se caractérisent par une géométrie à grande échelle simple, proche d’un dipôle. Ces résultats apportent la première preuve que les processus dynamos à l’œuvre dans les étoiles naines rouges peuvent générer des champs magnétiques qui diffèrent des étoiles plus massives à la fois par leur géométrie mais aussi par leur énergie magnétique totale.

Les étoiles les moins massives, les naines rouges, représentent plus des trois quarts des astres de notre Galaxie et sont récemment devenues les cibles privilégiées de la recherche d’exoplanètes telluriques [1].

La plupart d’entre elles présentent des signes d’activité — présence de taches, émission dans les domaines des rayons X et UV — semblables à ceux observés sur le Soleil et qui sont associés à la présence d’un champ magnétique [2].

Les étoiles froides — depuis les naines rouges jusqu’aux étoiles un peu plus chaudes que le Soleil sur la séquence principale — sont d’autant plus actives que leur rotation est rapide, jusqu’à atteindre un niveau de saturation correspondant à des périodes de rotation de quelques jours. On pensait jusqu’alors que le champ magnétique moyen à la surface des étoiles froides saturait lui aussi, à une valeur d’environ 400 mT.

Vue d’artiste d’un événement éruptif (« flare ») à la surface d’une étoile naine rouge. Ce type de phénomène actif est directement lié au champ magnétique de l’étoile. Crédit : NASA/GSFC et SWIFT

L’analyse spectroscopique minutieuse d’un échantillon de 25 étoiles naines rouges a permis de mettre en évidence pour la première fois des champs magnétique de surface allant de 500 à près de 700 mT pour 4 de ces étoiles.

Toutes ces étoiles au champ magnétique intense partagent deux caractéristiques : elles ont une masse inférieure à un tiers de la masse du Soleil et une période de rotation inférieure à environ un jour. De plus l’étude spectropolarimétrique de ces 4 étoiles a montré que la structure à grande échelle de leur champ magnétique est très simple : proche d’un dipôle aligné avec l’axe de rotation.

Champ magnétique de surface mesuré en fonction de la période de rotation, pour les 25 étoiles naines rouges étudiées. La ligne horizontale en tirets bleus représente le niveau de saturation précédemment admis à 4 kG = 400mT. Les quatre étoiles qui présentent un champ plus intense (de 5 à près de 7 kG ou 500-700 mT) sont UV Ceti, V374 Peg, Wolf 47 et WX UMa. Des observations spectropolarimétriques de ces étoiles avaient montré que la composante à grande échelle de leur champ magnétique est quasi-dipolaire (symboles rouges). Au contraire, dont le champ à grande échelle a été identifié comme multipolaire (symboles bleus) possèdent un champ magnétique moyen inférieur ou égale à la limite de saturation à 4 kG/400mT.

Cette étude apporte un éclairage nouveau sur la génération de champ magnétique dans les étoiles naines rouges les moins massives, qui repose sur des processus dynamos différents de ceux à l’œuvre dans le Soleil.

On savait depuis plusieurs années que certaines des naines rouges les plus actives pouvaient différer des étoiles de type solaire par leur champ à la géométrie simple, quasi- dipolaire [3]. On sait désormais que certaines d’entre elles peuvent en outre générer des champs magnétiques nettement plus intenses que ce que l’on connaissait jusqu’alors.

Simulation numérique du champ magnétique généré par effet dynamo pour une étoile naine rouge entièrement convective. Le champ magnétique possède une structure à grande échelle simple quasi-dipolaire, comme mis en évidence par les lignes de champ. Crédit : Rakesh Yadav (CfA Harvard).

Ce résultat est d’autant plus important que les champs magnétiques stellaires constituent un élément clé de l’évolution des étoiles et de leur systèmes planétaires. L’étude simultanée du magnétisme et des systèmes planétaires des étoiles naines M sera au cœur du projet scientifique d’instruments de nouvelle génération tels que le spectropolarimètre SPIRou qui entrera prochainement en service au Télescope Canada France Hawaii (TCFH) situé au sommet du volcan Mauna Kea à Hawaii.

Référence

Strong dipole magnetic fields in fast rotating fully convective stars, par Denis Shulyak et al., 24 juillet 2017, Nature Astronomy, 1, 184.

Contact

Julien Morin, LUPM, CNRS & Université de Montpellier


[1voir par exemple l’article sur le projet Red Dots

[2voir par exemple l’article sur le cycle magnétique de l’étoile 61 Cyg A

[3voir par exemple le chapitre Magnetic fields from low mass stars to brown dwarfs (en anglais)