Inferring the physical properties of stellar ionisation regions through seismic glitches
Inférence des propriétés physiques de régions d'ionisation stellaires au moyen de glitchs sismiques
Résumé
Although seismic inference has proven to be valuable on many occasions when determining
stellar parameters of solar-like pulsators, estimating these very parameters can be subject to
biases and thus remain uncertain. A particularly important example is the helium-mass degene-
racy, where the uncertainties on the internal physics cause a poor determination of both the mass
and surface helium content. In this context, an independent estimate of the helium abundance is
beneficial in two ways : in addition to considerably reducing the uncertainty on the mass of the
star, it may also lead to strong constraints on its internal physics. A promising way to obtain such
an estimate is to exploit the so-called ionisation glitch, a deviation from the asymptotic oscillation
frequency pattern caused by the rapid structural variation within the ionisation zone. However,
although becoming more and more sophisticated, current approaches for modelling glitches face
problems such as the need for calibration by realistic stellar models.
Accordingly, we focused on an alternative approach to studying glitches using a physically
motivated model of the ionisation region. An analytical approximation of the first adiabatic ex-
ponent in a convective zone is derived before obtaining a complete structure of the region at
hydrostatic equilibrium. This structure is then found to depend on three fundamental physical
properties, namely the surface helium abundance, the electronic degeneracy in the convective
zone and the extent of the ionisation region. A characterisation of the ionisation glitch based on
such a model will not only allow us to estimate the helium abundance without resorting to ca-
libration, but also to exploit the constraints on the internal physics provided by these additional
properties. We therefore propose a glitch model directly involving these quantities and evaluate
its inference capabilities on synthetic data. A substantial amount of information on the physical
properties may be recovered. Furthermore, we show how to adapt the method to handle a conta-
mination of the glitch by surface effects by including a Gaussian process in the model.
Si l’inférence sismique a de maintes fois démontré sa plus-value en ce qui concerne la détermi-
nation des paramètres stellaires, leur estimation peut être sujette à des biais et ainsi demeurer
incertaine. Un exemple frappant est celui de la dégénérescence masse-hélium, où les nombreuses
possibilités pour modéliser la physique interne causent à la fois une mauvaise détermination de
la masse de l’étoile et de son contenu en hélium. Dans ce contexte, une estimation indépendante
de l’abondance d’hélium est d’un double intérêt : en plus de réduire considérablement notre
incertitude à propos de la masse de l’étoile, elle pourrait nous apporter de fortes contraintes
sur sa physique interne. À cet égard, une approche prometteuse consiste à exploiter le glitch de
l’ionisation, une déviation des fréquences d’oscillation due aux variations locales de structure
rencontrées dans la région d’ionisation. Cependant, de nombreuses méthodes reposent aujour-
d’hui sur des modèles de perturbation ad-hoc et proposent une détermination de l’abondance
d’hélium après calibration sur d’autres modèles, ce qui lui ôte son caractère indépendant.
Dans ce manuscrit, on propose une approche alternative pour étudier le glitch de l’ionisa-
tion en dérivant un modèle cohérent de la région d’ionisation. On s’appuie sur une approxima-
tion analytique du premier exposant adiabatique dans une zone convective avant d’obtenir une
structure complète de la région à l’équilibre hydrostatique. Cette structure se trouve alors dé-
pendre de trois propriétés physiques fondamentales que sont l’abondance d’hélium en surface,
la dégénérescence électronique dans la zone convective et l’étendue de la région d’ionisation.
Une caractérisation du glitch de l’ionisation fondée sur un tel modèle nous permettra non seule-
ment d’estimer l’abondance d’hélium sans recours à la calibration, mais également d’exploiter les
contraintes sur la physique interne fournies par ces propriétés additionnelles. On propose ainsi
un modèle du glitch faisant directement intervenir ces grandeurs et l’on évalue ses capacités
d’inférence sur des données synthétiques. L’information retrouvée sur les propriétés physiques
est importante, et l’on montre comment adapter la méthode pour gérer une contamination du
glitch par des effets de surface en incluant un processus gaussien dans le modèle.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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