Study of the convective core extension through the seismology of subgiant stars
Étude de l'extension des cœurs convectifs par la sismologie des étoiles sous-géantes
Résumé
Convective cores are the hydrogen reservoirs of main-sequence stars that are more massive than around 1.2 solar masses. Therefore, their sizes strongly impact the stellar evolution. However, several physical processes, which remain poorly understood by theory, can extend those convective cores beyond the classical limits. Those are generally modeled as a crude extension of the core in stellar evolution codes the size of which is defined by a free parameter. In this thesis, I studied the seismology of subgiant stars in order to constrain this extension. Indeed, those stars are interesting for two reasons. Firstly, their structure is still highly dependent on the former main-sequence convective core. Secondly, they exhibit mixed modes which allow us to precisely probe the very center of the star. They are therefore an indirect way to measure the extensions of convective cores. However, the seismic modeling of subgiants is challenging, mainly due to the highly non-linear variations of the frequencies of the mixed modes with time. Consequently, classical modeling methods, such as grids or iterative optimizations, fail to reproduce the observations within the uncertainties. For this reason, subgiant stars have not been much used as a laboratory to test stellar physics, despite the high potential of mixed modes. A specifically tailored method has therefore been developped during this thesis. Its main idea is to separate the optimization of the parameters which are highly dependent on the mixed modes, namely the mass and the age of the star, from the optimization of the other free parameters of the stellar evolution codes. This ensures a robust convergence to optimal models and paves the way to an in-depth study of the physics of the star. After validating this method by testing it through Hares & Hounds exercises, I applied it to a subgiant star observed by the Kepler space mission (NASA, 2009--2019). This work allowed me to significantly constrain the extent of the convective core that this star used to have during the main sequence. Moreover, it showed that mixed modes provide strong constraings on the central density and the core composition gradient. Also, it highlighted a strong degeneracy between the initial helium mass fraction and the mass of the star, which plays a dominant role in the precision to which stellar parameters can be measured by the seismology of subgiants. Finally, the method developped during this thesis has also been used to model several subgiant stars observed with Kepler and TESS (NASA, launched in 2008). On another note, most stellar evolution codes consider an instantenous mixing of the chemical elements in convective cores. During my thesis, I showed that this hypothesis leads to significant errors in the abundancies of the chemical elements for which the nuclear equilibrium timescale is lower than the convective timescale, as it is the case for Lithium 7. This modifies the nuclear energy production, and thus the size of convective cores. This work allowed me to show that, in order to correctly take into account the variations of convective core sizes during the main sequence, it is necessary to consider a diffusive mixing in the core and to take into account the variations of Lithium and Beryllium abundances out of equilibrium.
Les cœurs convectifs jouent le rôle de réservoirs d'hydrogène durant la séquence principale d'étoiles de masse supérieures à environ 1,2 masses solaires. De ce fait, leur taille a une influence importante sur l'évolution stellaire. Néanmoins, plusieurs phénomènes physiques, qui restent mal compris par la théorie, étendent ces cœurs au-delà des limites définies par les critères classiques. Ils sont généralement modélisés par une extension simple du cœur, dont la dimension est un paramètre libre. Dans cette thèse, j'ai utilisé, pour contraindre cette extension, la sismologie des sous-géantes. Ces étoiles ont en effet un intérêt double : leur structure est encore dépendante du cœur convectif de séquence principale, et elles montrent dans leur spectre d'oscillations des modes mixtes qui permettent de sonder très précisément leur structure centrale. De ce fait, elles représentent une façon indirecte de contraindre et mesurer l'extension des cœurs convectifs. Cependant, leur modélisation sismique est difficile, principalement à cause des variations fortement non-linéaires des fréquences des modes mixtes en fonction du temps. En conséquence, les techniques classiques de recherche de modèles optimaux (utilisation de grilles, optimisations itératives) échouent à reproduire les observations dans les incertitudes observationnelles. Pour cette raison, les étoiles sous-géantes ont été peu utilisées pour tester la physique stellaire, en dépit du très fort potentiel des modes mixtes. Une méthode spécialement adaptée à ce problème a été développée dans le cadre de cette thèse. L'idée sous-jacente est de découpler l'optimisation des paramètres stellaires qui sont très fortement dépendants des modes mixtes, la masse et l'âge, de celle des autres paramètres libres des modèles d'évolution stellaire. Cela assure une convergence robuste vers les modèles optimaux et ouvre la voie à une étude approfondie de la physique de ces étoiles. Après avoir validé cette méthode en utilisant des tests à l'aveugle, je l'ai appliquée à une étoile sous-géante observée par la mission spatiale Kepler (NASA, 2009--2019). Ce travail a permis de significativement contraindre l'extension du cœur convectif que l'étoile a eu en séquence principale. Il a, de plus, permis de montrer les fortes contraintes obtenues grâce aux modes mixtes sur la densité centrale et le gradient de composition chimique dans le cœur. Aussi, il a mis en lumière une forte dégénérescence entre la fraction de masse initiale d'hélium et la masse de l'étoile, qui joue un rôle dominant dans la précision à laquelle les paramètres stellaires peuvent être mesurés par la sismologie des étoiles sous-géantes. La méthode d'optimisation développée lors de cette thèse a également été utilisée pour estimer les paramètres stellaires de plusieurs sous-géantes observées avec Kepler et TESS (NASA, lancé en 2008). Par ailleurs, la plupart des codes d'évolution stellaire considèrent un mélange instantané des éléments chimiques dans les cœurs convectifs. Lors de mon travail de thèse, j'ai montré que cette hypothèse mène à des erreurs significatives sur l'abondance au cœur des éléments chimiques dont le temps de mise à l'équilibre des réactions nucléaires est plus court que le temps caractéristique du mélange convectif, comme c'est le cas pour le Lithium 7. Cela modifie la production d'énergie nucléaire et, in fine, la taille des cœurs convectifs. Ce travail m'a permis de montrer que pour rendre compte de façon cohérente des variations de la taille des cœurs convectifs au cours de l'évolution, il est nécessaire de considérer un mélange de type diffusif dans ces cœurs, et de prendre en compte les variations hors équilibre du Béryllium et du Lithium.
Origine : Version validée par le jury (STAR)