Study of the spectral opacities in the stellar radiative interiors
Etude des opacités spectrales dans les zones radiatives des intérieurs stellaires
Résumé
Helio- and asteroseismology (SoHo, CoRoT, KEPLER...) have produced observed acoustic
oscillations of thousands stars. The characteristics of these oscillations are deeply linked
to the transport of radiation inside the stars. However, the comparisons of seismic data
of Sun and stars with model predictions have led to significant discrepancies, which could
be due to a bad knowledge of production and transport of energy.
Beta-Cephei are pulsating stars, progenitors of supernovae and thus deeply linked to our
understanding of stellar medium enrichment. Their study has shown some difficulty to
predict the observed oscillation modes, which are directly linked to a bump of the opacity
of the elements of the iron group (Cr, Fe, Ni) at log T = [5.25 - 5.3] through their pulsating
mechanism called the kappa-mechanism. We show that the different parameters of the stars
(mass, age, metallicity) have a great influence on the amplitude of the bump, and then
on the structure of the considered star.
The mastery of the kappa-mechanism that produces the pulsation of these stars supposes a
fine determination of the peak opacity of the iron group in their envelopes. We present
the final results of an experiment conducted at LULI 2000 in 2011 on Cr, Fe and Ni and
a theoretical comparison between OP, ATOMIC and SCO-RCG codes. We show how to
improve the opacity in the range of temperature around log T = 5.3.
The Sun is, as being our closest star, a privilege place to test and validate physics. However,
the solar physics is not yet completely understood. Indeed, since the recent update of
the solar composition, there are significant differences between solar models predictions
and seismic data, clearly visible on the solar sound speed profile comparison. The well established
large discrepancy (Turck-Chièze, 2001; Turck-Chièze et al., 2004; Turck-Chièze
et al., 2011; Christensen-Dalsgaard et al., 2009; Basu et al., 2014) could be linked to
radiative transfer issue. Two directions of investigations are possible. One possibility to
explain this gap could be that the Sun produces slightly more energy than it liberates on
its surface (around 5%). This energy could be transformed into macroscopic motions in
the radiative zone, which are not taken into account in the solar standard model. Another
explanation could be that the calculations of energy transport are not accurately taken
into account either on the calculation of the Rosseland mean values and (or) in the treatment
of the radiative acceleration. This could have some impact on the determination of
the internal solar abundances.
Unfortunately, there are very few experiments to validate these calculations (Bailey et al.,
2009, 2015). That’s why we are proposing an opacity experiment on a high-energy laser
like LMJ, in the conditions of the radiative zone (T = [2 x 10^6 - 15 x 10^6 K] and rho = [0.2 -
150 g/cm3]). The aim is to measure the opacity of the most important contributors to
the global opacity in this solar area : iron, oxygen and silicon. We are using a technical
approach called the Double Ablation Front, driven by plasma radiative effects to reach
these high temperatures and densities at LTE and validate or not plasma effects and line
widths. I will show the principle of this technique and the results of our simulations on
several elements.
In parallel, we are also exploiting new opacity calculations thanks to the OPAS code
(Blancard et al., 2012) at the conditions of the solar radiative zone. I will show the impact
of these calculations on the solar model and on the age of solar-like stars.
Les progrès de l’hélio- et plus généralement de l’astérosismologie permettent aujourd’hui
de sonder les étoiles avec une précision jusqu’à présent inégalée. Des informations cruciales
sur leur structure interne sont ainsi extraites des observations des oscillations stellaires.
Ces observations, comparées aux prédictions théoriques obtenues par les codes de structure
stellaire font apparaître des différences significatives, qui pourraient être liées entre autre
à une mauvaise connaissance de la production et du transport de l’énergie dans les étoiles.
Les Bêta-Céphei sont des étoiles pulsantes progéniteurs de supernovae et de ce fait, intrinsèquement
liées à notre compréhension de l’enrichissement du milieu interstellaire. Leur
étude montre des difficultés à prédire leurs modes d’oscillation, qui sont générés par un
pic d’opacité des éléments du groupe du fer (dominé par les éléments chrome, fer, nickel)
autour de log T = 5.3 via le kappa-mécanisme. Dans la première partie de ce manuscrit, nous
allons exposer le fonctionnement de ce mécanisme et nous montrerons qu’il suppose une
détermination fine des paramètres de l’étoile (masse, âge et métallicité) mais aussi des
opacités des trois éléments précédemment cités compte-tenu de leur implication directe
dans les pulsations de ces étoiles. Nous exposerons ensuite le résultat d’une expérience
menée au LULI en 2011 sur ces trois éléments ainsi que le résultat de comparaisons théoriques
de calculs d’opacité utilisés en astrophysique avec de nouveaux calculs d’opacité.
Notre étoile hôte, le Soleil, est un endroit privilégié pour tester et valider nos connaissances
de la physique stellaire. Cependant, il apparaît que la physique solaire n’est pas
entièrement bien comprise. En effet, il existe des différences entre les modèles solaires et
les observations sismiques, visibles par exemple sur le profil de vitesse du son (Turck-
Chièze, 2001; Turck-Chièze et al., 2004; Turck-Chièze et al., 2011; Christensen-Dalsgaard
et al., 2009; Basu et al., 2014). Ces différences bien établies conduisent à ré-examiner les
calculs de transfert de rayonnement dans la zone radiative solaire. La seconde partie de
ce manuscrit sera consacrée à cet axe de recherche et à toutes ces difficultés, avec la mise
en place d’une nouvelle plateforme expérimentale dédiée à la mesure des opacités dans les
conditions solaires. Une étude détaillée de la façon dont les opacités sont utilisées dans
les codes de structure stellaire, ainsi que la prise en compte de nouveaux calculs seront
également présentées.
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