Magnétisme et dynamique des étoiles de type solaire : rôle de la rotation et de la métallicité sur la dynamo et le vent stellaire

Solar-type stars magnetism and dynamics : role of rotation and metallicity on dynamo and stellar wind

• Auteur / Autrice : Quentin Noraz
• Direction : Allan Sacha Brun, Antoine Strugarek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 20/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Chaty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Corinne Charbonnel, Isabelle Baraffe, Guillaume Aulanier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Axel Brandenburg, Henri-Claude Nataf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Vents

Soleil -- Champ magnétique

Étoiles -- Champs magnétiques

Étoiles -- Composition chimique

Convection (astrophysique)

Magnétisme

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Physique des Plasmas

Magnétisme

Convection

Rotation différentielle

Etoiles métallicité

Etoiles dynamo

Etoiles vent

Simulations numériques

Plasma Physics

Magnetism

Convection

Differential Rotation

Stars metallicity

Stars dynamo

Stars wind

Numerical Simulations

Résumé

Les étoiles sont des quasi-sphères de plasma auto-gravitant, turbulent et en rotation. Pour les étoiles de type solaire, cette rotation est généralement différentielle dans leur enveloppe de surface, c'est-à-dire que toutes les latitudes n'ont pas le même taux de rotation. La présence de cet intense cisaillement, couplé à une convection turbulente, soutient un processus dynamo fluide à l’origine du champ magnétique. Cela peut parfois conduire à des variations cycliques de ce champ, comme pour le Soleil avec son cycle de 11 ans. Ce champ magnétique va alors donner forme au vent généré par l’étoile, et être responsable d’un ralentissement de la rotation globale sur la séquence principale. Dans ce contexte, cette thèse propose une étude de l’évolution magnéto-rotationnelle des étoiles de type solaire. Nous nous intéressons en particulier à l’impact du profil de rotation et de la métallicité sur le processus dynamo à l’origine du champ magnétique, ainsi que le vent résultant de ce dernier. Nous mènerons cette étude par l’intermédiaire de simulations numériques de modèles globaux, et nous proposerons des perspectives afin de confronter ces modèles aux observations. La première partie de cette thèse propose une introduction sur les étoiles de type solaire. On s’intéressera en particulier à leur rotation, leur convection, leur magnétisme, ainsi que les processus entremêlant ces ingrédients physiques de manière non-linéaire et les amenant à évoluer sur les temps séculaires. La deuxième partie se focalisera sur les travaux appliqués aux écoulements à grande échelle. À l’aide de simulations numérique globales, 3D et non linéaires, nous étudions les processus amenant à la mise en place d'écoulements à grande échelle, tel que le profil de rotation différentielle, en fonction de la masse et du taux de rotation de l’étoile. Différents profils sont observés et caractérisés en fonction du nombre de Rossby. Nous développons ensuite un nouveau critère permettant de cibler des candidats observationnels susceptibles d’héberger un profil de rotation dit “antisolaire” que nous indiquons explicitement. Ce travail s’est effectué dans le contexte d’un grand débat au sein de la communauté, le “Convective Conundrum”, pour lequel nous proposons une résolution possible basée sur le contrôle du nombre de Nusselt de la simulation, ainsi que des outils d’analyse spectrale permettant d’identifier les échelles transportant le moment cinétique et la chaleur. Une troisième partie s’intéressera ensuite à l’activité de la dynamo des étoiles de type solaire, et son implication sur le vent stellaire. À l’aide d’un modèle dynamo 2.5D en champ moyen, nous commençons par étudier les possibilités de cycle magnétique sous un régime de rotation anti-solaire. Nous décrivons la phénoménologie des dynamos résultantes, et montrons qu’un profil de rotation anti-solaire mène généralement à des dynamos stationnaires, sauf pour des cas très particuliers. Nous étendons ensuite cette étude à l’ensemble des processus dynamo résultant des simulations 3D présentées en seconde partie, et montrons que différents comportements cycliques sont possibles en fonction du nombre de Rossby. Nous étendons cette étude en étudiant l’impact de la métallicité pour une rotation et une masse donnée, en appliquant la méthode présentée dans la cadre du “Convective Conundrum”. Enfin, nous étudions l’impact de la rotation sur l’environnement stellaire, en générant des solutions de vent à partir de cartes magnétiques de surface des simulations précédemment générées.

Stars are quasi-spheres of self-gravitating, turbulent and rotating plasma. For solar-type stars, this rotation is generally differential in their surface envelope, i.e. all latitudes do not the same rotation rate. The presence of this intense shear, coupled with turbulent convective motions, supports a fluid dynamo process at the origin of the magnetic field. This can sometimes lead to cyclic variations of this field, as for the Sun with its 11years cycle. This magnetic field will then structure the wind generated by the star, and be responsible for a spin-down of the global rotation during the main sequence. In this context, this thesis proposes a study of the magneto-rotational evolution of solar-type stars. We are particularly interested in the impact of the rotation profile and the metallicity, on the dynamo process at the origin of the magnetic field, as well as the wind resulting from the latter. We will conduct this study through numerical simulations of global models, and we will propose perspectives to confront these models with observations. The first part of this thesis proposes an introduction to solar-type stars. We will focus in particular on their rotation, their convection, their magnetism, as well as the processes that intertwine these physical ingredients in a non-linear way, and lead them to evolve over secular times. The second part will focus on the work applied to large-scale flows. Using global, 3D and nonlinear numerical simulations, we study the processes leading to the establishment of large scale flows, such as the differential rotation profile, as a function of the mass and rotation rate of the star. Different profiles are observed and characterized as a function of the Rossby number. We then develop a new criterion to target observational candidates likely to host a so-called ``anti-solar'' rotation profile that we explicitly indicate. This work is done in the context of a large debate within the community, the ``Convective Conundrum'', for which we propose a possible resolution based on the control of the Nusselt number of the simulation, as well as spectral analysis tools to identify the scales carrying angular momentum and heat. A third part will then focus on the dynamo activity of solar-type stars, and its implication on the stellar wind. Using a 2.5D dynamo model in the mean field, we start by studying the possibilities of magnetic cycling under an anti-solar rotation regime. We describe the phenomenology of the resulting dynamos, and show that an anti-solar rotation profile generally leads to stationary dynamos, except for very special cases. We then extend this study to the set of dynamo processes resulting from the 3D simulations presented in the second part, and show that different cyclic behaviors are possible depending on the Rossby number. We extend this study by studying the impact of the metallicity for a given rotation and mass, by applying the method presented in the ``Convective Conundrum'' framework. Finally, we start a study of the impact of rotation on the stellar environment, by generating wind solutions from surface magnetic maps of previously generated simulations.