Etude du couplage entre convection turbulente et oscillations de type solaire

Study of the coupling between turbulent convection and solar-like oscillations

• Auteur / Autrice : Jordan Philidet
• Direction : Marie-Jo Goupil, Kevin Belkacem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 08/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-2024)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Angonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Jo Goupil, Kevin Belkacem, Jørgen Christensen-Dalsgaard, Hiromoto Shibahashi, Marc-Antoine Dupret, Friedrich Kupka, Laurent Gizon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jørgen Christensen-Dalsgaard, Hiromoto Shibahashi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convection (astrophysique)

Oscillations solaires

Astérosismologie

Mots clés libres

Turbulence

Sismologie

Physique stellaire

Convection

Turbulence

Seismology

Stellar physics

Convection

Résumé

L’astérosismologie a révolutionné notre compréhension des intérieurs stellaires, grâce à l’observation des oscillations à la surface des étoiles. En ce qui concerne les oscillateurs de type solaire, qui possèdent une enveloppe convective, les mouvements turbulents dus à la convection ont un impact important sur les propriétés des modes acoustiques, tant du point de vue de leur fréquence que de leur amplitude. Cet impact résulte d’un couplage entre convection et oscillations, qui doit donc être compris et correctement modélisé pour permettre des diagnostics sismiques fiables dans ces étoiles. En retour, ce couplage offre l’opportunité d’utiliser les propriétés observées des modes pour contraindre la convection stellaire – dont les propriétés restent encore relativement mal comprises à ce jour. C’est ce dernier point qui constitue la motivation sous-tendant le travail présenté dans cette thèse.La première partie de cette thèse se concentre sur l’asymétrie exhibée par les profils des modes dans le spectre des oscillateurs de type solaire, qui porte la signature de la localisation de leur source d’excitation proche de la surface de l’étoile. Dans ce contexte, j’ai développé un formalisme conçu pour fournir des prédictions quantitatives concernant ces asymétries, mais également pour relier directement les asymétries observées aux propriétés sous-jacentes de la convection turbulente dans cette région. L’application de ce formalisme au cas du Soleil m’a permis de reproduire les observations à travers tout le spectre des modes acoustiques pour les mesures spectroscopiques, ainsi que pour les modes acoustiques de basse fréquence pour les mesures photométriques. En particulier, elle m’a permis de déterminer la dépendance du signe de l’asymétrie en fonction de la position de la source relativement à la photosphère, ainsi que d’apporter un éclairage nouveau sur la question de l’inversion d’asymétrie entre les observations effectuées en vitesse et en intensité.Dans une seconde partie, je me suis penché sur la question de la modélisation du couplage turbulence/oscillation de manière plus générale. J’y examine les modèles de turbulence Lagrangiens stochastiques en tant qu’alternative aux approches traditionnelles pour le traitement du couplage entre convection turbulente et oscillations de type solaire. Premièrement, un traitement perturbatif linéaire de ce type de modèle m’a permis d’exhiber une équation d’onde possédant, par construction, un caractère stochastique représentant l’impact de la turbulence sur les modes. Cette équation d’onde stochastique présente l’avantage d’inclure dès le début l’effet de la turbulence, et par suite celui du couplage, de manière cohérente, tout en permettant l’introduction d’un modèle de turbulence réaliste, et prenant en compte le large éventail d’échelles temporelles et spatiales caractérisant la convection turbulente stellaire. Ce formalisme m’a ensuite permis de construire une prescription simultanée, sur la base de relations de fermeture physique, pour le taux d’excitation et d’amortissement des modes acoustiques, mais également pour la partie modale des effets de surface. En parallèle, j’ai développé une implémentation numérique plus directe des modèles Lagrangiens stochastiques, qui permet, en conjonction avec mon formalisme analytique, d’explorer l’impact des paramètres physiques contrôlant la convection turbulente sur les propriétés observées des modes de type solaire. Le très bon accord obtenu en comparant les résultats numériques à un cas test dans le cadre duquel des résultats analytiques exacts peuvent être établis m’a permis de valider cette implémentation.

Asteroseismology has revolutionised our understanding of stellar interiors, through the observations of oscillations on the surface of stars. In solar-like oscillators, which exhibit a convective envelope, the turbulent motions caused by convection have a substantial impact on the properties of the acoustic modes, whether on their frequencies or their amplitude. This impact results from a turbulence/oscillation coupling, which must therefore be understood and realistically modelled in order to allow for accurate seismic diagnosis. In turn, this coupling offers a way to constrain the little-understood properties of convection using the observed acoustic mode properties. This last point forms the overarching motivation behind the work presented in this thesis.The first part of this thesis focuses on the asymmetry displayed by the line profiles of solar-like oscillations, which carries the signature of the localisation of the driving source close to the surface of the star. In this context, I developed a formalism designed to give quantitative predictions for solar-like mode asymmetry, and to directly relate the observed asymmetries to the underlying properties of turbulence in this region. Applying this formalism to the solar case allowed me to successfully reproduce the observations throughout the entire p-mode spectrum for spectroscopic measurements, as well as in the low-frequency part of the spectrum for photometric measurements. In particular, it led me to the determination of the sign of the asymmetry depending on the stochastic excitation occurring above or beneath the photosphere. It also allowed be to shed a new light upon the issue of asymmetry reversal between the velocity and intensity measurements.In a second part, I interested myself with the modelling of the turbulence/oscillation modelling more generally. I investigated Lagrangian stochastic models of turbulence as an alternative way, compared to more traditional approaches, to model the coupling between turbulent convection and solar-like oscillations. First, a linear perturbative treatment of this class of models led me to establish a wave equation which, by construction, contains a stochastic part representing the impact of turbulence on the modes. This stochastic wave equation includes the effect of turbulence, and therefore the effect of the coupling with oscillations, in a consistent way, while allowing for the introduction of a realistic model of turbulence, taking into account the large range of time and spatial scales characterising stellar turbulent convection. This formalism then allowed me to simultaneously build physically-grounded prescriptions for the driving and damping of the modes, as well as for the modal part of the surface effects. In parallel, I developed a more direct numerical implementation of Lagrangian stochastic models, which allows, in conjunction with my analytical formalism, to explore the impact of the physical parameters of turbulent convection on the observed properties of the solar-like modes. I propose a test case where exact analytical results can be derived, and the close agreement reached between those and numerical results validates this implementation.