What can interferometry and asteroseismology tell us about stellar evolution at rapid rotation ?
Évolution stellaire en rotation rapide : apports de l'interférométrie et de l'astérosismologie
Résumé
From the spectral lines to the frequencies of their pulsations, rapidly rotating stars
exhibit signs of that rotation in all kinds of observations. Interferometry especially
allowed us to study local effects of rotation by turning stars from points to extended
sources. The determination of stellar physical parameters from these observations
depends however on the models used to describe the stellar surface, and a complete
representation of the star relies on the union of stellar interior models and atmosphere
models. The studies which determined the extreme flattening and other
physical parameters of rapid rotators rest upon the use of simplified models which
limit the validity of the method, and point toward the necessity of upgrading to full
2D interior models. I used the models produced by the 2D code ESTER to study
rapid rotation, taking advantage of multiple observation techniques, namely interferometry,
spectroscopy and seismology to determine the fundamental parameters
of Altair, a neighbouring rapidly rotating star, such as its mass and its evolutionary
stage.
To accomplish this I wrote a numerical code which handles the interfacing of internal
structure models and atmosphere models (PHOENIX in this work). After
interpolating the surface parameters of a selected model from a grid of precomputed
models, monochromatic intensity maps of the visible surface of the star are
computed from these parameters using theoretical specific intensities. Interferometric
observables and spectra are then computed from these maps and compared to
observed data via a Chi2 minimisation scheme.
The characterisation of Altair was broken down into several parts, as simultaneously
determining all its fundamental parameters was not possible with the available
data. The omega − model, a gravity darkening model coupled with a Roche mass distribution,
was first used to find the equatorial radius, equatorial angular rotation
velocity, inclination, and position angle of the star, analysing only the VLTI interferometric
data (PIONIER and GRAVITY). The obtained model was also used to
reproduce the MgII line of an ELODIE spectrum, and thus constrain the atmosphere’s
metallicity. The omega − model was then replaced with ESTER models, and both
interferometric and spectroscopic data were jointly reproduced to try to determine
the mass M of the star, its "intrinsic" metallicity Z (examined independently from
the atmospheric one), and the core hydrogene content, Xc, indicative of its evolutionary
stage. Strong correlations between these 3 parameters were found, but the
successful reproduction of Altair’s observed pulsation frequencies (WIRE) with the
TOP code allowed us to constrain the mass, although the bulk hydrogene content
needed to be increased to keep a physically realistic ratio Xc/X. A relation between
M, Z, X and Xc was thus obtained, but the non-unicity of the solution underlines
the importance of an accurate constraint on the stars chemical composition, based
on multiple absorption lines. It is nonetheless interesting that, whatever the value
of X is, Xc is very close to it, suggesting that Altair is a young star close to the
ZAMS, in contradiction with earlier studies.
Des raies spectrales aux fréquences d’oscillation des pulsations qui les parcourent, la
rotation des étoiles laisse des traces de sa présence dans tous les types d’observation.
C’est notamment l’interférométrie qui a ouvert la porte sur la rotation rapide, en faisant
passer l’étoile d’un point à une source étendue. La détermination des paramètres
physiques de l’étoile à partir de ces observations dépend cependant des modèles utilisés
pour décrire la surface de l’étoile, une description physique complète de l’étoile
reposant sur l’union de modèles d’intérieur stellaire et de modèles d’atmosphère. Les
études ayant déterminé l’aplatissement extrême et autres paramètres physiques de rotateurs
rapides reposent sur l’utilisation de modèles simplifiés qui imposent des limites
à la validité de la méthode, et suggèrent un passage obligé à l’utilisation de modèles
d’intérieur complets. j’ai utilisé les modèles produits par le code 2D ESTER pour étudier
la rotation des étoiles, profitant des multiples techniques d’observation que sont l’interférométrie,
la spectroscopie, et l’astérosismologie pour déterminer les paramètres
fondamentaux d’Altaïr, étoile proche en rotation rapide, tels que sa masse ou son stade
évolutif.
J’ai pour cela élaboré un code numérique permettant l’interface entre les modèles ESTER
et des modèles d’atmosphère (PHOENIX dans ce travail de thèse). Après avoir
interpolé les valeurs des paramètres de surface du modèle voulu à partir d’une grille
préalablement calculée, celles-ci sont utilisées pour construire des cartes d’intensité monochromatiques
de la surface visible de l’étoile grâce aux intensités spécifiques PHOENIX.
Les observables interférométriques et le spectre sont ensuite calculés à partir de
ces cartes d’intensité, puis comparées aux données d’observation par une méthode de
minimisation de Chi2.
La détermination des paramètres fondamentaux d’Altaïr fut décomposée en plusieurs
parties, les données ne permettant pas une détermination simultanée de tous ces paramètres.
L’omega − model, modèle d’assombrissement centre-bord associé à un modèle de
Roche, fut d’abord utilisé pour déterminer le rayon équatorial, la vitesse de rotation
angulaire à l’équateur, l’inclinaison et l’angle de position de l’étoile, avec les seules
données interférométriques du VLTI (PIONIER et GRAVITY). Le modèle obtenu fut utilisé
pour reproduire la raie du MgII d’un spectre ELODIE et contraindre la métallicité
de l’atmosphère. L’omega−model a ensuite été remplacé par les modèles ESTER, et les données
interférométriques ont été reproduites conjointement avec le spectre pour tenter
de contraindre la masse M de l’étoile, sa métallicité « intrinsèque » Z (examinée indépendamment
de la métallicité de l’atmosphère), et la quantité d’hydrogène en son
coeur, Xc, indicative de son stade évolutif. De fortes corrélations entre ces 3 paramètres
furent obtenues, mais la reproduction des fréquences d’oscillations observées (WIRE)
grâce au code TOP permis de contraindre la masse, imposant au passage une fraction
d’hydrogène dans l’enveloppe X supérieure à la valeur initialement utilisée, afin de
conserver un rapport Xc/X physiquement réaliste. La non-unicité de la solution souligne
l’importance d’une détermination précise de la composition chimique de l’étoile
basée sur de multiples raies d’absorption ; il est néanmoins intéressant que quelle que
soit la valeur de X, Xc en est très proche, indiquant qu’Altaïr est une étoile jeune,
proche de la ZAMS, contrairement à ce que les premières études d’Altaïr laissaient
penser.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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