Imagerie de la photosphère des super-géantes rouges : l’origine de la perte de masse

Soutenance de thèse de Quentin Pilate (Salle Coriolis)

Résumé de la thèse :

Les étoiles supergéantes rouges (RSGs) sont des étoiles massives évoluées qui, lorsqu’elles explosent en supernovae, enrichissent le milieu interstellaire d’éléments lourds. Durant la phase de RSG, ces étoiles perdent une partie de leur masse à travers les vents stellaires, cette perte de masse a une influence sur l’évolution de l’étoile. Cependant, les mécanismes à l’origine de la perte de masse ne sont pas bien connus. Récemment, l’étude du spectre polarisé de la RSG Betelgeuse a permis de produire des images de sa photosphère, ainsi que de mesurer la vitesse des cellules de convection dans l’atmosphère, révélant qu’une force était capable de contrebalancer la gravité aux niveaux photosphériques, et de maintenir le plasma à une vitesse constante. L’enjeu majeur de cette thèse est d’identifier cette force.
Fin 2019, la luminosité de Betelgeuse a soudainement chuté, un évènement appelé The Great Dimming, associé à un épisode de perte de masse qui aurait eu lieu plusieurs mois plutôt. Dans ce contexte, j’ai étudié le signal de polarisaon linéaire de Betelgeuse grâce à la technique de la déconvolution par les moindres carrés (LSD) plusieurs mois avant le Great Dimmimg. En ulisant la hauteur de formation des raies, j’ai étudié le signal de polarisation linéaire pour différentes couches de l’atmosphère de Betelgeuse. J’ai montré qu’en mars 2019, le signal de polarisation linéaire des différentes couches s’effondrait, et que cet effondrement était du à une augmentaon locale d’opacité. J’ai relié l’augmentation d’opacité à la pression de radiation, et j’ai montré qu’avec des conditions de densité favorables, l’accélération radiave est du même ordre de grandeur que l’accélération gravitaonnelle. Cette augmentation d’opacité a permis au plasma d’être éjecté de l’étoile plusieurs mois avant le Great Dimming. L’étude du signal de polarisation linéaire a donc permis de mettre en évidence que la pression de radiation était capable de compenser la gravité aux niveaux photosphériques de Betelgeuse, et de déclencher des évènements de perte de masse. En plus du signal de polarisation linéaire, j’ai étudié les bissecteurs du profil d’intensité, et j’ai montré qu’en utilisant un modèle simple faisant intervenir de faibles gradients de vitesse dans une cellule de convection, il était possible de reproduire qualitavement les bissecteurs observés. En plus de l’étude du profil de polarisation linéaire, cette thèse a étudié le profil d’intensité de Betelgeuse et d’autres RSGs comme RW Cep. En effet, le profil d’intensité de la plupart des RSGs est étroit comparé au profil de polarisation linéaire. A l’aide d’un modèle simple de transfert de rayonnement, j’ai montré que la présence de gradients de vitesse le long de la région de formation des raies est capable de réduire la taille du profil d’intensité apparent. Les profils d’intensité étroits observés sur Betelgeuse, et larges sur RW Cep et PZ Cas, sont dus à la présence de forts et faibles gradients de vitesse. La raison de la présence de ces gradients de vitesse n’est pas encore connue, mais est probablement reliée aux épisodes actifs ou passifs de perte de masse des RSGs. Enfin, j’ai étudié la variabilité de Betelgeuse entre 2013 et 2019, et j’ai montré que l’on pouvait expliquer la variabilité de l’étoile avec les temps caractérisques de la convection. J’ai montré que les plus petites cellules de convection ont un temps de vie de 200 jours et les plus grandes de 330 jours. J’ai également étudié le spectre polarisé de la RSG Antares. J’ai mis en évidence que l’origine du signal de polarisation linéaire était similaire à celle Betelgeuse, me permettant de produire les premières images de la surface d’Antares à l’aide de la spectropolarimétrie. J’ai mis en évidence la présence de larges cellules de convection avec un rayon de l’ordre de 30% du rayon de l’étoile. J’ai aussi mesuré un champ
magnétique de quelques Gauss, variable dans le temps et montrant un changement de polarité.

Composition du jury de thèse :

• Evelyne ALECIAN, IPAG, rapporteure
• Helmut WIESEMEYER, MPIfR, rapporteur
• Julien MORIN, LUPM, examinateur
• Philippe MATHIAS, IRAP, examinateur
• Pascal PETIT, IRAP, examinateur
• Arturo LÓPEZ ARISTE, IRAP, directeur de thèse