Inférence des propriétés physiques de régions d’ionisation stellaires au moyen de glitchs sismiques

Inferring the physical properties of stellar ionisation regions through seismic glitches

• Auteur / Autrice : Pierre Houdayer
• Direction : Marie-Jo Goupil, Daniel Reese
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 19/10/2022
• 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 : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Angonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Angonin, Sébastien Deheuvels, Valérie Van Grootel, Andrea Miglio
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Orlagh Creevey, Achim Weiss

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles -- Masses

Statistique bayésienne

Astérosismologie

Mots clés libres

Astérosismologie

Physique stellaire

Glitchs sismiques

Théorie

Modélisation

Inférence bayésienne

Asteroseismology

Stellar physics

Seismic glitches

Theory

Modelling

Bayesian inference

Résumé

Si l’inférence sismique a de maintes fois démontré sa plus-value en ce qui concerne la détermination des paramètres stellaires, leur estimation peut être sujette à des biais et ainsi demeurer incertaine. Un exemple frappant est celui de la dégénérescence masse-hélium, où les nombreuses possibilités pour modéliser la physique interne causent à la fois une mauvaise détermination de la masse de l’étoile et de son contenu en hélium. Dans ce contexte, une estimation indépendante de l’abondance d’hélium est d’un double intérêt : en plus de réduire considérablement notre incertitude à propos de la masse de l’étoile, elle pourrait nous apporter de fortes contraintes sur sa physique interne. À cet égard, une approche prometteuse consiste à exploiter le glitch de l’ionisation, une déviation des fréquences d’oscillation due aux variations locales de structure rencontrées dans la région d’ionisation. Cependant, de nombreuses méthodes reposent aujourd’hui sur des modèles de perturbation ad-hoc et proposent une détermination de l’abondance d’hélium après calibration sur d’autres modèles, ce qui lui ôte son caractère indépendant.Dans ce manuscrit, on propose une approche alternative pour étudier le glitch de l’ionisation en dérivant un modèle cohérent de la région d’ionisation. On s’appuie sur une approximation analytique du premier exposant adiabatique dans une zone convective avant d’obtenir une structure complète de la région à l’équilibre hydrostatique. Cette structure se trouve alors dépendre de trois propriétés physiques fondamentales que sont l’abondance d’hélium en surface,la dégénérescence électronique dans la zone convective et l’étendue de la région d’ionisation.Une caractérisation du glitch de l’ionisation fondée sur un tel modèle nous permettra non seulement d’estimer l’abondance d’hélium sans recours à la calibration, mais également d’exploiter les contraintes sur la physique interne fournies par ces propriétés additionnelles. On propose ainsi un modèle du glitch faisant directement intervenir ces grandeurs et l’on évalue ses capacités d’inférence sur des données synthétiques. L’information retrouvée sur les propriétés physiques est importante, et l’on montre comment adapter la méthode pour gérer une contamination du glitch par des effets de surface en incluant un processus gaussien dans le modèle.

Although seismic inference has proven to be valuable on many occasions when determining stellar parameters of solar-like pulsators, estimating these very parameters can be subject to biases and thus remain uncertain. A particularly important example is the helium-mass degeneracy,where the uncertainties on the internal physics cause a poor determination of both the mass and surface helium content. In this context, an independent estimate of the helium abundance is beneficial in two ways : in addition to considerably reducing the uncertainty on the mass of the star, it may also lead to strong constraints on its internal physics. A promising way to obtain such an estimate is to exploit the so-called ionisation glitch, a deviation from the asymptotic oscillation frequency pattern caused by the rapid structural variation within the ionisation zone. However, although becoming more and more sophisticated, current approaches for modelling glitches face problems such as the need for calibration by realistic stellar models. Accordingly, we focused on an alternative approach to studying glitches using a physically motivated model of the ionisation region. An analytical approximation of the first adiabatic exponent in a convective zone is derived before obtaining a complete structure of the region at hydrostatic equilibrium. This structure is then found to depend on three fundamental physical properties, namely the surface helium abundance, the electronic degeneracy in the convective zone and the extent of the ionisation region. A characterisation of the ionisation glitch based on such a model will not only allow us to estimate the helium abundance without resorting to calibration,but also to exploit the constraints on the internal physics provided by these additional properties. We therefore propose a glitch model directly involving these quantities and evaluate its inference capabilities on synthetic data. A substantial amount of information on the physical properties may be recovered. Furthermore, we show how to adapt the method to handle a contamination of the glitch by surface effects by including a Gaussian process in the model.