Les géantes rouges représentent un stade très avancé de l’évolution des étoiles : elles ont brûlé tout l’hydrogène primordial contenu dans leur cœur. Les réactions de fusion nucléaire, qui transforment cette matière première en hélium, se déplacent alors vers les couches les plus externes de l’étoile. Celle-ci enfle et devient alors géante et rouge. Le principe fondamental de conservation du « moment cinétique » exigerait que le cœur de ces étoiles tourne plus vite que leur enveloppe . Mais jusqu’ici, il était impossible pour les astrophysiciens de vérifier directement cette hypothèse, appréhendée uniquement au moyen de calculs théoriques. De même, il était impossible de déterminer avec précision les propriétés de rotation de ces astres.

Dernièrement, grâce à l’astérosismologie, en étudiant les vibrations propres des étoiles, une équipe internationale est parvenue à localiser les réactions de fusion nucléaire au sein de leur cœur . Deux types d’ondes se propagent à l’intérieur de l’étoile : des ondes acoustiques (ou sonores) dans ses couches externes et des ondes de gravité dans son cœur. Parfois des « modes mixtes », mélanges d’ondes de gravité et d’ondes acoustiques, sont aussi observés. Ils permettent de sonder un très large volume dans la structure de l’étoile.

Aujourd’hui, grâce à l’astérosismologie et aux données recueillies par le satellite Kepler, des chercheurs, notamment de l’AIM (CEA-Irfu, CNRS, Université Paris Diderot) et du LESIA (Observatoire de Paris, CNRS, UPMC, Université Paris Diderot), ont pu mesurer pour la première fois la vitesse de rotation d’une étoile géante rouge, en fonction de la profondeur de la couche de matière sondée, et jusqu’au cœur de l’astre. Leurs travaux ont porté sur l’analyse de trois étoiles : KIC 8366239, KIC 5356201 et KIC 12008916 parmi celles observées entre les constellations de la Lyre et du Cygne. Ils ont notamment observé que le cœur de ces géantes rouges, environ 40% plus massives que le Soleil, tourne jusqu’à 10 fois plus vite que leur enveloppe. C’est en utilisant les « modes mixtes » que les chercheurs ont ainsi « vu » le cœur des géantes tourner. « Avec ces résultats, nous confirmons les prédictions théoriques établies auparavant, explique Rafael Garcia, chercheur de l’AIM, qui a participé à l’étude. En revanche, ce qui est nouveau et qui était inimaginable il y a encore quelques années, c’est de pouvoir faire des mesures directes de la rotation interne des étoiles, à différents moments de leur évolution. Pour la première fois, nous allons pouvoir confronter des mesures à nos modèles purement théoriques. C’est une véritable révolution. »

Cette étude ne peut pour l’instant être adaptée au Soleil en raison de la forte convection de ses régions extérieures ; les modes acoustiques dominent largement les modes de gravité, et les « modes mixtes » et de gravité n’ont pu être isolés. Néanmoins, les chercheurs espèrent à terme obtenir des informations sur la rotation du cœur du Soleil, l’astre du jour, ce qui constituera une avancée majeure pour la compréhension de l’évolution de la rotation interne des étoiles et sa modélisation théorique.

Figure de gauche  : Comparaison de la taille du soleil et avec celle d’une géante rouge.
Figure de droite : Le noyau chaud dans le centre de la géante tourne 10 fois plus vite que la surface.
(Paul G. Beck/KU Leuven, Belgium)

Référence
“Fast core rotation in red-giant stars revealed by gravity-dominated mixed modes”
Paul G. Beck, Josefina Montalban, Thomas Kallinger, Joris De Ridder, Conny Aerts, Rafael A. García, Saskia Hekker, Marc-Antoine Dupret, Benoit Mosser, Patrick Eggenberger, Dennis Stello, Yvonne Elsworth, Søren Frandsen, Fabien Carrier, Michel Hillen, Michael Gruberbauer, Jørgen Christensen-Dalsgaard, Andrea Miglio, Marica Valentini, Timothy R. Bedding, Hans Kjeldsen, Forrest R. Girouard, Jennifer R. Hall, Khadeejah A. Ibrahim
dans la revue Nature du 7 décembre 2011.

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