La convection à la surface d’une géante rouge dévoilée

Dans près de cinq milliards d’années, le Soleil ressemblera probablement à l’étoile π¹ Gruis. Cette « géante rouge », située à 530 années-lumière, a une masse de seulement 1,5 fois celle du Soleil mais son diamètre est 700 fois plus grand. Située dans la constellation de la Grue, elle brille d'un éclat plusieurs milliers de fois plus intense que le Soleil. Claudia Paladini, de l’université libre de Bruxelles, et ses collègues ont utilisé l’instrument Pionier du Very Large Telescope (VLT) pour observer la surface de π¹ Gruis. Ils ont ainsi mis en évidence certaines structures de convection en accord avec les modèles théoriques.

Les étoiles sont des boules de gaz dans lesquelles la pression est si forte qu’elle rend possible la fusion des atomes les plus légers. Le Soleil puise ainsi son énergie de la fusion de l’hydrogène, qui produit de l’hélium. Mais dans cinq milliards d’années, son stock d’hydrogène sera épuisé. Le Soleil commencera alors à se contracter sur lui-même, jusqu'à ce que la pression en son cœur augmente au point de permettre la fusion de l’hélium. Ce processus très énergétique offrira à notre étoile une sorte de « retour de flamme », pendant lequel elle brillera très intensément et gonflera en repoussant ses couches externes jusqu’à l’orbite de la Terre, voire de Mars. C’est à ce stade de l’évolution stellaire que se trouve aujourd’hui π¹ Gruis. Il est donc intéressant d’étudier ce genre d’étoile pour comprendre quel sera le destin du Soleil.

En général, les géantes rouges sont difficiles à observer car elles sont enveloppées de nuages de poussière qu’elles ont expulsé en se dilatant. Dans le cas de π¹ Gruis, même si cette poussière est bien présente, Claudia Paladini et ses collègues ont néanmoins réussi à observer dans l’infrarouge la photosphère de l’étoile – c’est-à-dire sa surface – grâce à des techniques d'interférométrie.

Qu’ont dévoilé ces images ? La surface n’est pas homogène : elle présente quelques cellules de convection. Ces cellules sont formées par le flux de gaz chaud qui monte de l’intérieur de l’astre vers sa surface, de la même manière que des bulles se forment dans une casserole d’eau bouillante. De telles structures n’avaient jamais été observées dans une étoile géante rouge. Les cellules de convection de π¹ Gruis sont immenses : leur diamètre atteint jusqu'à 120 millions de kilomètres, soit près de 30 % de celui de l’étoile ! Rapporté au Système solaire, la taille de ces cellules est comparable à la distance qui sépare le Soleil de Vénus.

Par comparaison, la photosphère du Soleil est pavée d'environ deux millions de cellules convectives avec un diamètre typique de 2 000 kilomètres. Andrea Chiavassa, de l’observatoire de Côte d’Azur et membre de l’équipe qui a étudié π¹ Gruis, explique cette différence : « la taille des cellules convectives est principalement contrôlée par l’intensité de la gravité à la surface de l’étoile. Avec une masse sensiblement équivalente à celle du Soleil mais un diamètre 700 fois plus important, la gravité à la surface de π¹ Gruis est beaucoup plus faible. On s’attendait donc à voir des cellules convectives bien plus étendues que pour le Soleil. » Une prédiction confirmé par les observations du VLT, validant ainsi les modèles qui décrivent la dynamique des couches supérieures de ces étoiles dans une de leur dernière phase...