Deviner votre âge est peut-être un jeu de carnaval populaire, mais pour les astronomes, déterminer l’âge des étoiles constitue un véritable défi. Une fois qu’une étoile comme notre Soleil est entrée dans une fusion nucléaire stable, ou dans la phase de maturité de sa vie, elle change peu pendant des milliards d’années. Une exception à cette règle est la période de rotation de l’étoile, c’est-à-dire la vitesse à laquelle elle tourne. En mesurant les périodes de rotation de centaines de milliers d’étoiles, le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA promet d’apporter de nouvelles connaissances sur les populations stellaires de notre Voie lactée après son lancement d’ici mai 2027.
Les étoiles naissent en tournant rapidement. Cependant, les étoiles de la masse de notre Soleil ou moins ralentiront progressivement sur des milliards d’années. Ce ralentissement est causé par les interactions entre un flux de particules chargées appelé vent stellaire et le champ magnétique de l’étoile. Les interactions suppriment le moment cinétique, ce qui fait que l’étoile tourne plus lentement, un peu comme un patineur sur glace ralentirait lorsqu’il étendrait les bras.
Cet effet, appelé freinage magnétique, varie en fonction de la force du champ magnétique de l’étoile. Les étoiles qui tournent plus rapidement ont des champs magnétiques plus puissants, ce qui les fait ralentir plus rapidement. En raison de l’influence de ces champs magnétiques, après environ un milliard d’années, les étoiles de même masse et de même âge tourneront à la même vitesse. Par conséquent, si vous connaissez la masse et la vitesse de rotation d’une étoile, vous pouvez potentiellement estimer son âge. En connaissant l’âge d’une grande population d’étoiles, nous pouvons étudier comment notre galaxie s’est formée et a évolué au fil du temps.
Mesurer la rotation stellaire
Comment les astronomes mesurent-ils la vitesse de rotation d’une étoile lointaine ? Ils recherchent des changements dans la luminosité de l’étoile dus aux taches stellaires. Les taches stellaires, comme les taches solaires sur notre Soleil, sont des taches plus froides et plus sombres à la surface d’une étoile. Lorsqu’une tache stellaire est visible, l’étoile sera légèrement plus sombre que lorsque la tache est de l’autre côté de l’étoile.
Si une étoile possède une seule et grande tache, elle connaîtra un schéma régulier d’atténuation et d’éclaircissement à mesure que la tache tournera vers l’intérieur et l’extérieur de la vue. (Cette atténuation peut être différenciée d’un effet similaire provoqué par une exoplanète en transit.) Mais une étoile peut avoir des dizaines de taches dispersées sur sa surface à tout moment, et ces taches varient dans le temps, ce qui rend beaucoup plus difficile la détection périodique. signaux de gradation provenant de la rotation de l’étoile.
Application de l’intelligence artificielle
Une équipe d’astronomes de l’Université de Floride développe de nouvelles techniques pour extraire une période de rotation à partir des mesures de la luminosité d’une étoile au fil du temps, grâce à un programme financé par le projet Nancy Grace Roman Space Telescope de la NASA.
Ils utilisent un type d’intelligence artificielle connu sous le nom de réseau neuronal convolutif pour analyser les courbes de lumière ou les tracés de la luminosité d’une étoile au fil du temps. Pour ce faire, le réseau neuronal doit d’abord être entraîné sur des courbes de lumière simulées. Zachary Claytor, associé postdoctoral à l’Université de Floride et chercheur scientifique principal du projet, a écrit un programme appelé “butterpy” pour générer de telles courbes de lumière.
« Ce programme permet à l’utilisateur de définir un certain nombre de variables, comme le taux de rotation de l’étoile, le nombre de spots et la durée de vie des spots. Ensuite, il calculera comment les taches émergent, évoluent et se désintègrent à mesure que l’étoile tourne et convertira cette évolution en une courbe de lumière – ce que nous mesurerions à distance », a expliqué Claytor.
L’équipe a déjà appliqué son réseau neuronal formé aux données du satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA. Les effets systématiques rendent plus difficile la mesure précise de périodes de rotation stellaire plus longues, mais le réseau neuronal entraîné de l’équipe a pu mesurer avec précision ces périodes de rotation plus longues à l’aide des données TESS.
Enquête sur les étoiles de Roman
Le prochain télescope spatial romain rassemblera des données provenant de centaines de millions d’étoiles grâce à son enquête sur le domaine temporel du renflement galactique, l’une des trois enquêtes communautaires principales qu’il mènera. Roman regardera vers le centre de notre galaxie – une région peuplée d’étoiles – pour mesurer combien de ces étoiles changent de luminosité au fil du temps. Ces mesures permettront de multiples investigations scientifiques, depuis la recherche d’exoplanètes lointaines jusqu’à la détermination des taux de rotation des étoiles.
La conception spécifique de l’enquête est encore en cours d’élaboration par la communauté astronomique. L’étude financée par la NASA sur la rotation stellaire promet d’aider à éclairer les stratégies d’enquête potentielles.
« Nous pouvons tester quels éléments sont importants et ce que nous pouvons extraire des données romaines en fonction de différentes stratégies d’enquête. Ainsi, lorsque nous aurons réellement les données, nous aurons déjà un plan », a déclaré Jamie Tayar, professeur adjoint d’astronomie à l’Université de Floride et chercheur principal du programme.
“Nous disposons déjà de nombreux outils et nous pensons qu’ils peuvent être adaptés à Roman”, a-t-elle ajouté.
Le télescope spatial romain Nancy Grace est géré au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, avec la participation du Jet Propulsion Laboratory de la NASA et de Caltech/IPAC en Californie du Sud, du Space Telescope Science Institute de Baltimore et d’une équipe scientifique comprenant des scientifiques de divers les établissements de recherche. Les principaux partenaires industriels sont BAE Systems, Inc. à Boulder, Colorado ; L3Harris Technologies à Melbourne, en Floride ; et Teledyne Scientific & Imaging à Thousand Oaks, en Californie.
Par Christine Pulliam
Institut scientifique du télescope spatial, Baltimore, MD.
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Christine Pulliam
Institut scientifique du télescope spatial, Baltimore, MD.
