Les modes propres d'oscillation des étoiles induisent des variations périodiques dans la lumière qu'elles émettent. Les fréquences d'oscillation associées, mesurées avec une grande précision grâce aux longues durées d'observation depuis l'espace (missions CoRoT, Kepler, TESS et PLATO à venir), contiennent des informations uniques sur l'intérieur des étoiles, ou plus précisément sur les propriétés physiques de la cavité résonnante où les modes propres se forment par interférence constructive des ondes. Les différents types d'ondes, et donc de modes, se distinguent par la force de rappel qui les engendre : la force de pression pour les modes acoustiques, la force d'Archimède et la force de Coriolis pour les modes gravito-inertiels, et la force de Coriolis seule pour les modes purement inertiels. L'astérosismologie consiste à extraire l'information sur l'intérieur des étoiles contenue dans les fréquences d'oscillation observées. C'est un outil sans équivalent pour tester et faire progresser la théorie de l'évolution stellaire.
Les étoiles de type gamma Doradus, légèrement plus massives que le Soleil, présentent un cœur convectif entouré d'une zone radiative. Elles sont particulièrement intéressantes en raison de la présence de modes gravito-inertiels, qui se propagent profondément en leur sein. Pour ces étoiles en rotation rapide, l'approximation traditionnelle de la rotation (TAR), qui ne prend en compte que partiellement la force de Coriolis, est couramment utilisée pour décrire les modes gravito-inertiels. Cependant, cette approximation n'est valable que dans la zone radiative et ne peut donc pas traiter le cas de la résonance potentielle entre les modes inertiels du cœur convectif et les modes gravito-inertiels de la zone radiative.
Ainsi, en utilisant un code d'oscillation stellaire tenant pleinement compte de la force de Coriolis, Ouazzani et al. (2020) ont démontré l'existence d'une telle résonance, révélant la présence de modes mixtes de nature inertielle dans le cœur convectif et de nature gravito-inertielle dans la région radiative. Ces modes pourraient donner accès à de précieuses informations sur le stade évolutif et la rotation du cœur. Ils provoquent un creux observable, et déjà observé dans une vingtaine d'étoiles, dans le diagramme représentant la différence de périodes entre deux modes d'ordres radiaux consécutifs en fonction de la période.
Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier numériquement ce phénomène de résonance afin de développer des outils de diagnostic sismique permettant d'extraire les informations physiques contenues dans cet observable. J'ai utilisé le code bidimensionnel d'oscillation TOP pour calculer des modes mixtes à différentes rotations et pour différents modèles d'étoiles de type gamma Doradus le long de la séquence principale. J'ai établi des relations entre la position et la largeur des creux induits par les résonances, la fréquence du mode inertiel au cœur et la fréquence de Brunt-Väisälä au bas de la zone radiative. Ces relations empiriques sont indépendantes des modèles d'étoile utilisés. Puisque la fréquence du mode inertiel est liée à la stratification en densité du cœur convectif et à sa rotation, et grâce aux informations disponibles en dehors des creux, nous disposons ainsi d'un ensemble unique de contraintes sismiques sur le mélange des éléments chimiques, la rotation et le stade évolutif des étoiles de type gamma Doradus. |
The intrinsic oscillation modes of stars induce periodic variations in the light they emit. The associated oscillation frequencies, measured with high precision thanks to long observation durations from space (missions CoRoT, Kepler, TESS, and the upcoming PLATO), contain unique information about the interiors of stars, or more precisely about the physical properties of the resonant cavity where the modes form through constructive wave interference. The different types of waves, and therefore modes, are distinguished by the restoring force that generates them: the pressure force for acoustic modes, the buoyancy force and the Coriolis force for gravito-inertial modes, and the Coriolis force alone for purely inertial modes. Asteroseismology involves extracting information about the interiors of stars contained in the observed oscillation frequencies. It is an unparalleled tool for testing and advancing the theory of stellar evolution.
gamma Doradus stars, slightly more massive than the Sun, feature a convective core surrounded by a radiative zone. They are particularly interesting due to the presence of gravito-inertial modes, which propagate deeply within them. For these rapidly rotating stars, the traditional approximation of rotation (TAR), which only partially considers the Coriolis force, is commonly used to describe the gravito-inertial modes. However, this approximation is only valid in the radiative zone and thus cannot address the potential resonance between the inertial modes of the convective core and the gravito-inertial modes of the radiative zone.
By employing a stellar oscillation code that fully accounts for the Coriolis force, Ouazzani et al. (2020) demonstrated the existence of such resonance, revealing the presence of mixed modes of inertial nature in the convective core and gravito-inertial nature in the radiative region. These modes could provide valuable information about the evolutionary stage and rotation of the core. They produce an observable dip, already detected in about twenty stars, in the diagram representing the difference in periods between modes of two consecutive radial orders as a function of the period.
In this context, this thesis aims to numerically study this resonance phenomenon to develop seismic diagnostic tools able to extract the physical information contained in this observable. I used the bidimensional oscillation code TOP to compute mixed modes at different rotation rates and for various models of gamma Doradus stars along the main sequence. I established relationships between the position and width of the dips induced by resonances, the frequency of the inertial mode at the core, and the Brunt-Väisälä frequency at the base of the radiative zone. These empirical relations are independent of the stellar models used. Since the frequency of the inertial mode is linked to the density stratification of the convective core and its rotation, and thanks to the information available outside the dips, we thus have a unique set of seismic constraints on the mixing of chemical elements, rotation, and the evolutionary stage of gamma Doradus stars. |