Modélisation de l'activité des étoiles froides à partir de données photométriques et spectropolarimétriques

Detecting activity of late-type stars with spectropolarimetry and photometry

• Auteur / Autrice : Tianqi Cang
• Direction : Pascal Petit, Jean-Francois Donati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 29/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Arturo López Ariste
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Dougados, Jianning Fu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gaitee Hussain, Shenghong Gu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles froides

Spectropolarimétrie

Photométrie astronomique

Mots clés libres

Champ magnétique

Étoiles solaires

CubeSat

Magnetic field

Solar-like stars

CubeSat

Résumé

Les divers phénomènes actifs observés dans les étoiles de type solaire sont une conséquence de leur magnétisme interne. La rotation stellaire est responsable de l'amplification des champs magnétiques internes à travers une dynamo globale. Cependant, l'activité magnétique semble atteindre une limite supérieure pour les étoiles avec des vitesses de rotation suffisamment grandes, bien que le seuil de rotation exact pour la saturation dépende du traceur magnétique pris en compte. Le régime saturé de la dynamo stellaire n'a pas encore bénéficié d'une exploration approfondie. Si nombre de traceurs d'activité classiques révèlent la présence de champs magnétiques dans l'atmosphère des étoiles froides, leur mesure directe a longtemps été très difficile. Au cours des trois dernières décennies, les progrès spectaculaires de notre capacité à mesurer et à modéliser l'effet Zeeman ont considérablement augmenté nos connaissances sur le magnétisme stellaire. Une compréhension fine de l'activité stellaire est également essentielle pour modéliser l'environnement planétaire des planètes proches. La plupart des naines M affichent des niveaux d'activité élevés, et ces étoiles dominent la population stellaire dans le voisinage solaire. Pour les naines M, la faible masse stellaire se traduit par une zone habitable rapprochée, où de l'eau liquide stable peut exister à la surface de la planète. Les planètes géantes proches des jeunes Soleils sont également importantes à étudier, car elles reflètent l'évolution précoce des systèmes planétaires et fournissent un aperçu clé des canaux de migration à l'origine des Jupiters chauds. Le suivi photométrique est l'une des méthodes les plus efficaces pour caractériser les exoplanètes en transit et les variations de luminosité induites par l'activité des étoiles hôtes. Nous avons proposé de construire un photomètre de type CubeSat proche infrarouge nommé MARSU. Ce télescope spatial compact est peu coûteux et de programmation flexible. En tant que photomètre spatial infrarouge dédié, d'un diamètre de 8,5 cm, MARSU va détecter les planètes semblables à la Terre en transit dans la zone habitable des naines M, tout en caractérisant l'activité de l'étoile hôte. Il réalisera une surveillance photométrique continue dans le proche infrarouge pour les cibles jusqu'à une magnitude H de ~11, avec une précision meilleure qu'une mmag, sur des périodes continues allant jusqu'à 3 mois. Dans le premier volet de cette thèse, nous avons étudié l'activité magnétique d'un prototype d'objet à l'âge zéro de la séquence principale : le rotateur rapide V530 Per. Des observations spectropolarimétriques sur deux époques (2006 et 2018) ont été obtenues avec ESPaDOnS, nous permettant de reconstruire la distribution de surface de la luminosité et des champs magnétiques, la rotation différentielle latitudinale et le système de protubérances en utilisant des méthodes tomographiques. La carte de luminosité est dominée par une grande tache sombre près du pôle, accompagnée d'une distribution complexe de régions brillantes et sombres aux latitudes inférieures. La majeure partie de l'énergie du champ magnétique à grande échelle est stockée dans la composante du toroïdale. Les cartes de brillance et de champ magnétique de V530 Per sont cisaillées par une rotation différentielle de type solaire. Le système de protubérances est organisé en anneau à l'emplacement approximatif du rayon de co-rotation et affiche une évolution significative à court terme, sur quelques jours. La deuxième partie de la thèse était une évaluation de faisabilité de la détection d'exoplanètes autour d'étoiles actives avec MARSU. [...]

The various active phenomena observed in solar-type stars are a consequence of their internal magnetism. Stellar rotation is responsible for the efficient amplification of internal magnetic fields through a global dynamo. However, magnetic activity seems to reach an upper limit for stars with sufficiently large rotation rates, although the exact rotation threshold for saturation depends on the magnetic tracer taken into account. This so-called saturation phenomenon is still lacking an in-depth exploration. While a number of classical activity tracers unveil the presence of magnetic fields in the atmosphere of cool stars, their direct measurement has long been very difficult. During the last three decades, the spectacular progress in our capacity to measure and model the Zeeman effect has increased dramatically our knowledge of stellar magnetism. A fine understanding of stellar activity is also critical to model the planetary environment of close-in planets. Most M-dwarfs display high activity levels, and these stars dominate the stellar population in the solar neighborhood. For M-dwarfs, the low stellar mass results in a close-in habitable zone, where stable liquid water can exist on the planetary surface. Close-in giant planets around young Suns are also attractive to investigate, as they reflect the early evolution of planetary systems, and provide a key insight into the migration pathways creating hot Jupiters. Photometric monitoring is one of the most efficient methods to characterize transiting exoplanets and activity-induced brightness variations of the host stars. We proposed to build a near-infrared CubeSat-type photometer named MARSU. This compact space telescope is low-cost and flexible to schedule observations. As a dedicated infrared space photometer with an 8.5cm diameter, MARSU is expected to detect transiting Earth-like planets in the habitable zone of M dwarfs, while characterizing the activity of the host star. It will achieve continuous photometric monitoring in the near-infrared for stars up to an H magnitude of ~11, at a precision better than one mmag over continuous periods of up to 3 months. In the first study of this thesis, we investigated the magnetic activity of the prototypical, zero-age main sequence, rapid rotator V530 Per. Time-resolved spectropolarimetric observations at two epochs (2006 and 2018) were gathered with ESPaDOnS, enabling us to explore the surface distribution of brightness and magnetic fields, the latitudinal differential rotation, and the prominence system by using tomography tools. The brightness map is dominated by a large, dark spot near the pole, accompanied by a complex distribution of bright and dark features at lower latitudes. Most of the large-scale magnetic field energy is stored in the toroidal field component. Both brightness and magnetic field maps of V530 Per are sheared by solar-like differential rotation. The prominence system is organized in a ring at the approximate location of the co-rotation radius and displays significant short-term evolution within a few days. The second part of the thesis was a feasibility assessment for the detection of exoplanets around active stars with MARSU. We developed an end-to-end numerical simulator of MARSU observations. This simulates all stages, from the light generated by the planetary system to the image acquisition and the extraction of light curves. A number of tests were made to evaluate the performance of the payload and confirmed that MARSU can detect habitable Earth-like exoplanets around M-dwarfs and close-in giant planets around young solar-like stars.