Etude sismique des géantes rouges sur la branche asymptotique

Seismic analysis of red giants on the asymptotic giant branch

• Auteur / Autrice : Guillaume Dréau
• Direction : Benoît Mosser, Yveline Lebreton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 19/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• 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-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick François
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Mosser, Yveline Lebreton, Valérie Van Grootel, Stéphane Charpinet, Margarida S. Cunha
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Van Grootel, Stéphane Charpinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géantes rouges

Astérosismologie

Mots clés libres

Astérosismologie

Étoiles : oscillations

Étoiles : intérieurs

Étoiles : évolution

Étoiles : phases évoluées

Étoiles : AGB et post-AGB

Asteroseismology

Stars: oscillations

Stars: interiors

Stars: evolution

Stars: late-Type

Stars: AGB and post-AGB

Résumé

Le succès des missions spatiales CoRoT, Kepler et TESS a mené à de nouvelles opportunités pour la physique stellaire. L'astérosismologie fournit des informations uniques sur les étoiles qui sont non seulement essentielles pour sonder leur intérieur et leur évolution, mais aussi pour suivre l'évolution de la Galaxie et pour estimer les propriétés physiques des exoplanètes qu'elles abritent. Pour cela, l'étude des paramètres sismiques globaux d'un ensemble d'étoiles donne accès aux variations de leurs propriétés internes au fil de leur évolution.Parmi les différents stades évolutifs que les étoiles entreprennent, la branche des géantes asymptotique (AGB) est importante par plusieurs aspects. D'une part, les étoiles AGB fournissent des contraintes uniques sur les processus de mélange qui modifient la composition de leur cœur et de leur enveloppe, en passant de la séquence principale aux phases de brûlage d'hélium. D'autre part, les étoiles AGB contribuent significativement à l'enrichissement Galactique. En effet, leur enveloppe circumstellaire alimentée par la perte de masse renferme une composition chimique complexe. Néanmoins, l'étude sismique de ces étoiles est exigeante puisqu'il est nécessaire de les observer suffisamment longtemps afin que leur signal sismique soit exploitable. Heureusement, les séries temporelles collectées par Kepler pendant quatre ans nous permettent de déchiffrer en détail le signal sismique des étoiles AGB en se basant sur le spectre d'oscillation des modes de pression. De plus, les données de Kepler montrent nettement la présence d'une accumulation d'étoiles AGB assimilable au bump de l'AGB. Non seulement, ce dernier apporte des contraintes pour la physique stellaire, mais il pourrait aussi être utilisé comme chandelle standard si la luminosité à ce stade est indépendante de la métallicité, ce qui reste à confirmer.L'un des objectifs principaux de ma thèse concerne l'analyse complète du spectre d'oscillation des géantes évoluées, qui inclut les étoiles de la branche des géantes rouges (RGB) et de l'AGB. A partir de cette analyse, j'expose en quoi la signature caractéristique de la zone de seconde ionisation de l'hélium dans la fréquence des modes d'oscillation permet la classification des étoiles RGB et AGB. Ensuite, j'explore dans quelle mesure l'approche asymptotique est valide pour interpréter le spectre d'oscillation des géantes rouges lumineuses. Par ailleurs, j'examine les traces éventuelles de contributions supplémentaires à l'amortissement des modes non radiaux. Ces derniers sondent les couches les plus profondes des étoiles pendant le début de l'AGB, apportant des contraintes inestimables sur les mécanismes d'amortissement pendant l'AGB. Finalement, j'investigue les principales différences de structure entre les étoiles RGB et AGB en couplant cette analyse sismique avec des modèles stellaires et leurs fréquences d'oscillation associées calculées à partir des codes MESA et ADIPLS, respectivement.La seconde facette importante de ma thèse consiste à évaluer la pertinence d'utiliser le bump de l'AGB comme chandelle standard ainsi que comme contrainte pour les processus de mélange dans les intérieurs stellaires. Pour y arriver, je caractérise la position du bump de l'AGB dans le diagramme Hertzsprung-Russell sismique en fonction de la masse et de la métallicité, tout cela en combinant les données de Kepler et TESS. Puis, je calcule une grille de modèles stellaires avec MESA, en considérant un ensemble de mécanismes physiques tels que l'extension de la zone convective du cœur et de l'enveloppe, la convection thermohaline et la rotation. Ainsi, nous évaluons le besoin de ces processus physiques pour reproduire la position du bump de l'AGB en fonction de la masse. Enfin, je passe en revue les implications de ce travail sur les domaines de l'astrométrie et de l'archéologie Galactique.

The success of the CoRoT, Kepler and TESS space-borne missions has opened a new era for stellar physics. Asteroseismology provides unique information on stars, which is crucial for probing their structure and evolution, but also for understanding the Galaxy evolution and for assessing the physical properties of the exoplanets they host. To this end, studying the global seismic parameters of an ensemble of stars gives us the opportunity to analyse the variation of stellar internal properties along stellar evolution.Among the diverse evolutionary stages of stars, the Asymptotic-Giant Branch (AGB) stage is important in many aspects. On the one hand, AGB stars provide unique constraints for the mixing processes in all previous burning stages, which modify their core and surface composition. On the other hand, AGB stars are important contributors to Galactic enrichment. Indeed, their circumstellar envelopes supplied by mass loss have a complex chemical composition. Nevertheless, performing a seismic study of these stars is demanding since it requires long observation periods for the seismic signal to be exploitable. Hopefully, the four-year time series of Kepler allow us to decipher in detail the oscillation spectrum of AGB stars, based on the pressure-mode pattern. Moreover, Kepler data clearly exhibit an excess of AGB stars that can be identified as the AGB bump (AGBb). The AGBb not only provides constraints for stellar physics but it could also be taken as a standard candle if its luminosity is independent of metallicity, which has to be confirmed.First, this thesis focuses on a thorough analysis of the oscillation spectrum of evolved red giants, including Red-Giant Branch (RGB) and AGB stars. I show how the typical signature of the helium second-ionisation zone in mode frequencies makes a seismic classification between RGB and AGB stars possible. I discuss the extent to which an asymptotic pattern is valid for interpreting the oscillation spectrum of high-luminosity red giants. Besides, I examine potential additional damping contributions to the non-radial modes. These modes probe the innermost layers of stars during the early-AGB, which brings valuable constraints to the damping mechanisms on the AGB. Finally, I investigate the main structural differences between RGB and AGB stars by complementing this seismic study with stellar models and their oscillation frequencies calculated with the codes MESA and ADIPLS, respectively.Second, this thesis is dedicated to assessing the potential of the AGBb to be a suitable standard candle as well as to constraining mixing processes in stellar interiors. To this end, I characterise the AGBb position in the seismic Hertzsprung-Russell diagram as a function of stellar mass and metallicity by combining Kepler and TESS data. Then, I compute a grid of stellar models with MESA, considering a sample of input physics including convective core and envelope overshooting, thermohaline mixing, and rotation. Accordingly, I evaluate the needs for these mixing mechanisms to reproduce the AGBb location according to the stellar mass. At last, I discuss the implications of this work on astrometry and Galactic archaeology.