Pourquoi les naines rouges sont-elles si violentes ?

[Pardam]

Bonjour à tous.
Fraîchement débarqué sur ce forum et navigateur régulier sur Futura, je viens vous soumettre une de mes (très) nombreuses interrogations sur le cosmos, comme l'intitulé vous l'indique.
J'ai beaucoup cherché sur le Web mais n'ait trouvé aucun début d'explication quant au fait que les naines rouges, timides lanternes à très longue durée de vie, soient paradoxalement beaucoup plus sujettes à des éruptions stellaires que leurs "cousines" type naines orange ou solaires.
Ma curiosité s'en trouvant bien frustrée, je m'en remets donc à vos avis éclairés ^^.

D'avance merci à celles ou ceux qui prendront le temps de lire voire de répondre.
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[Gilgamesh]

C'est une question de transport d'énergie à travers l'enveloppe.

Je repost un truc à ce sujet :

Comment les étoiles se débarrassent de leur énergie...

La chaleur étant produite par les réactions nucléaires dans le coeur de l'étoile, il y a deux façons de la conduire à travers l'enveloppe vers la surface où elle ira rayonner dans l'espace :

- par transfert radiatif,
- par transfert convectif.


La conduction est trop lente et ne joue aucun rôle à ces échelle. Dans le cas radiatif, l'enveloppe est statique, dans le second cas, elle bouillonne.

Commençons par considérer une enveloppe statique, formée de couches sagement empilées et qui ne se mélangent pas. Dans ce cas, le transfert est assuré par les collision des photons avec les électrons et les ions qui transfèrent la chaleur de proche en proche, d'où son nom de transfert radiatif.

Le flux de chaleur F (en W/m²) qui traverse une couche d'épaisseur infinitésimale dr est proportionnel au gradient de température dT/dr :


où le coefficient C se calcule comme :



avec :

α = 7,56.10-16 J.m-3.K-4 la constante de radiation
c la vitesse de la lumière
κ l'opacité spécifique du milieu, ou coefficient d'absorption massique
ρ la masse volumique (ou densité)

On voit que le transfert radiatif augmente fortement avec la température (c'est en T³), diminue avec le densité du milieu, les photon ayant du mal à traverser un milieu dense et avec l'opacité spécifique de ce milieu qui dépend de la nature des interactions entre les photons et les (électrons + ions) qui se trouvent sur sa route. Cette opacité spécifique κ est elle même dépendante de la température, selon le graph ci-dessous.

A faible température (à droite sur le graphique) la matière est sous forme d'atomes électriquement neutre avec lesquels les photons ont peu d'affinité, la matière est transparente, κ petit.

A température plus élevée la matière devient ionisée (plasma) et les photons sont constamment absorbés et réémis, essentiellement par les électrons liés au noyau (κ augmente avec T).

Au dela de T ~ 10⁵ K l'énergie des photons est telle qu'il devient de plus en plus difficile pour les ions d'absorber les photons (dont l'énergie est en T³). κ commence à baisser.

Finalement, au dela de T ~ 10⁶ K, il ne reste plus aucun électron liés au noyau, et les photons diffusent sur des électrons libre (κ petit).

Bon, en considérant l'étoile à l'équilibre, cela signifie que l'énergie ne s'accumule dans aucune enveloppe en partant du centre jusqu'à la surface. Ce qui signifie que F, le flux d'énergie est le même partout.

Considérons maintenant le gradient de température dT/dr, le quotient du flux (constant) sur le coefficient de transfert radiatif (qui varie du centre vers la surface) :



Dans le terme de droite, C dépend des éléments que nous avons listés : T, κ (lui même dépendant de la température comme vu), ρ (qui augmente avec la profondeur) ; F on l'a dit est constant.

Quand le gradient de température dépasse une certaine limite, le milieu devient instable. L'écart de température induit un écart de densité (plus c'est chaud, moins c'est dense), des bulles de gaz chaud se forment et montent, mues par la poussée d'Archimède. Elles transfèrent leur énergie en se mélangeant aux couches supérieures plus froide puis retombent par gravité. Il se forme un mouvement d'ensemble de convection. On pourrait dire ça comme ça : la matière n'arrivant pas à se débarrasser de son énergie en la confiant au rayonnement finit par se charger elle-même du boulot .

Ces mouvement de convection mélangent très efficacement les zones affectées et uniformisent leur composition chimique.

Cela se produit notamment quand κ est élevé ou quand F est trop important, enfin selon une combinaison de ces deux cas.

F grand correspond aux cas des étoiles massives qui brûlent selon le cycle CNO, fortement dépendant de la température. Leur température centrale fait qu'elle sont "emballées" et que le flux dégagé est très important. Elles pratiquent donc le transfert convectif en profondeur et radiatif en périphérie. Le mélange convectif permet de ramener du combustible frais vers le cœur et augmente la durée de vie des étoiles massives.

κ élevé correspond aux couches périphériques des étoiles de faibles masses. Une étoile comme le Soleil pratique le transfert radiatif en profondeur (sur 0,86 rayon) et est convective en surface. La transition a lieu vers 0,5 MK, température à laquelle les éléments lourds de l'enveloppe (carbone, oxygène, azote, fer...) parviennent à retenir quelques uns de leurs électrons, opacifiant ainsi le milieu. La teneur en éléments lourds (c'est à dire plus lourds que H et He, la "métallicité" de l'étoile dans le jargon astrophysique) joue donc un rôle important dans la dynamique des transferts d'énergie. Comme le cœur n'est pas mélangé, elles ne brûlent qu'une petite partie de leur réserve totale, environ 10% dans le cas du Soleil. Cette structure (cœur radiatif, enveloppe convective) concerne également les géantes rouges mais la fraction qui convecte est beaucoup plus importante et descend très profondément. Par dragage convectif elles font remonter depuis les profondeurs les produits de combustion (hélium, puis carbone, oxygène...) qui sont ainsi détectable par spectrométrie dans leur atmosphère, ce qui permet d'affiner les modèles de structure interne.

Pour les naine rouge on peut considérer qu'elles sont convectives sur toute la profondeur de l'enveloppe.

Comparaison entre une naine rouge et une étoile de masse moyenne :

interiorMV.png

Or, qu'est ce que la convection d'un plasma ? Le plasma est un gaz avec des charges électriques libres. Dès qu'un processus, par exemple magnétique, ou de diffusion, est susceptible de provoquer la ségrégation des charges (électrons et noyaux), cela va se traduire par un courant électrique, et les fluctuations de ce courant vont donner naissance à un champ magnétique.

Un plasma convectif va donc être le siège de phénomènes magnétohydrodynamiques très puissants. Les tâches solaires et autres signes d'activité chromosphériques peuvent couvrir l'essentiel de la surface de l'étoile, et la luminosité de l'étoile mesurée depuis la Terre peut connaitre des variations quasi-périodiques du fait des taches stellaires qui apparaissant et disparaissant à la vue au gré de la rotation de l'étoile (variable de type BY Draconis).

Pour le même type de raison (enveloppe convective magnétisée) certaines étoiles seront sujettes à violentes éruptions décuplant leur luminosité dans le visible, des rayons X et les ondes radio (variables type UV Ceti).


Schéma : Evolution de l'opacité avec la température (échelle log-log).
source

[Pardam]

Ca, c'est ce que j'appelle une très bonne explication. Et rapide en plus. Pas habitué à ce niveau de sérieux sur un forum, sans doute pour cette raison que j'avais complètement laissé tomber ce type de média depuis des années. Mais je me disperse, passons.

Merci beaucoup pour ce topo Gilgamesh, juste ce qu'il faut de maths (que j'ai toujours eu en sainte horreur, dommage pour un vrai fondu des astres) et un résumé des plus clairs. Et désolé si je suis d'office tombé dans la faille du re-post plus ou moins flagrant de topic du coup.

Donc, pour synthétiser en (très) gros, une naine rouge "brasse" la totalité de son contenu, d'où un champ magnétique intrinsèquement plus intense qu'une étoile de type solaire, qui dope les éruptions, en plus de disruptions de plasma naturellement favorisées par l'ampleur des mouvements convectifs ? (Le tout se stimulant mutuellement.)

[Gilgamesh]

Ca, c'est ce que j'appelle une très bonne explication. Et rapide en plus. Pas habitué à ce niveau de sérieux sur un forum, sans doute pour cette raison que j'avais complètement laissé tomber ce type de média depuis des années. Mais je me disperse, passons.

Merci beaucoup pour ce topo Gilgamesh, juste ce qu'il faut de maths (que j'ai toujours eu en sainte horreur, dommage pour un vrai fondu des astres) et un résumé des plus clairs. Et désolé si je suis d'office tombé dans la faille du re-post plus ou moins flagrant de topic du coup.

En fait non, c'est un truc que j'avais rédigé il y a longtemps pour un autre forum .

Donc, pour synthétiser en (très) gros, une naine rouge "brasse" la totalité de son contenu, d'où un champ magnétique intrinsèquement plus intense qu'une étoile de type solaire, qui dope les éruptions, en plus de disruptions de plasma naturellement favorisées par l'ampleur des mouvements convectifs ? (Le tout se stimulant mutuellement.)

C'est ça. Pour ce qui est de la rétroaction des phénomènes magnétiques sur la convection, on peut dire que localement les tâches stellaires bloquent la convection (d'où le refroidissement de surface). Mais je ne sais pas si globalement ça accélère ou ça ralentit le flux de chaleur vers la surface.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Schuberth]

Bonjour,
Une étoile comme la notre pourrait elle devenir 'éruptive' et augmenter significativement sa luminosité (disons par 5x) comme font des naines rouges comme UV CETI en présence par ex d'un autre corps très massif (disons 40 % la masse du soleil) dans son environnement?

J'ai un peu cherché sur le net mais je n'ai pas d'exemple d'une naine jaune éruptive, tout au plus une naine orange..

[Gilgamesh]

L'éruptivité des systèmes binaires est généralement lié à un transfert de masse sur un compagnon compact (naine blanche, étoile à neutron...) suivi de la combustion brutale de la couche accrétée. Avec une étoile sur sa séquence principale je vois pas trop...

[Schuberth]

Donc seuls les naines à enveloppe convectif sont variable (type UV CETI) et aucune naine jaune comme le soleil connu n'est variable (au sens éruptif car toutes les étoiles sont variable au sens strict)?

[Gilgamesh]

Donc seuls les naines à enveloppe convectif sont variable (type UV CETI) et aucune naine jaune comme le soleil connu n'est variable (au sens éruptif car toutes les étoiles sont variable au sens strict)?

Intrinsèquement, non. Les étoiles FGK ne sont pas variables sur leur séquence principale.

Ci-dessous la localisation des étoiles intrinsèquement variables sur le diagramme Hertzsprung–Russell.

[Schuberth]

C'est un peu HS mais je regardais un épisode d'échappées belles et à un moment le cameraman a jugé utile de prendre une image du soleil derrière une couche de pollution! Ce qui est étrange, ce qu'on voit un objet parfaitement sphérique et sans le moindre éclat (un peu comme une lune rouge mais ce n'est évidemment pas la lune)! Pourquoi le soleil brille t'il à ce moment aussi peu? On a sur la vidéo un plan rapproché et un autre éloigne et dans les 2 cas, c'est assez curieux non..surtout au plan éloigné?

Il faut aller à 20:49 jusqu'à 20:53

[Gilgamesh]

Tu as à la fois une diffusion de Rayleigh qui rougit le Soleil, et vu la couleur grise du ciel une diffusion de Mie qui en atténue encore la puissance.