Bételgeuse : structure interne et chromosphère

Ciel et Espace pages 50-51 :

En partant du centre de l’œuvre nous allons traverser l’étoile de son cœur jusqu’à sa surface. En m’inspirant de la modélisation figurant sur Ciel et Espace, j’ai représenté au centre de l’œuvre une boule blanche : elle symbolise la naine blanche ou le cœur de l’étoile. Le cœur de Bételgeuse aurait la même taille que celui du soleil, c’est-à-dire 0,025 % du rayon de Bételgeuse. C’est dans cet espace confiné que les noyaux d’hélium fusionnent pour former du carbone : sur l’œuvre noyaux d’hélium 4 en billes bleu marine et vertes, béryllium en boules vertes et carbone en boules grises.

Tout autour la zone radiative est principalement constituée d’hydrogène et aussi d’hélium. Les protons sont représentés en billes bleu marine, les neutrons en billes vertes. Voici quelques réactions de fusion sur l’œuvre d’après le schéma p 71 du livre « Etoiles et matière interstellaire » :

1H + 1H donne 2H + e+ + ve
2H + 1H donne 3He (hélium 3) + y (photon)
3He + 3He donne 4He (hélium 4) + 1H + 1H
3He + 4He donne 7Be (béryllium 7) + y (photon)

Cette réaction donne ensuite :

7Be + e- donne 7Li (lithium 7) + ve
7Be + 1H donne 8Be (béryllium 8) + y (photon)

En s’éloignant du centre nous arrivons dans la zone convective en rouge et orangé. C’est ici avec les atomes d’hélium d’hydrogène et de lithium qu’apparaissent les atomes de carbone (12C) en boules grises, d’azote (N14) en boules rose clair ou pourpre et d’oxygène (16O) en boules bleu turquoise.

Naissance évolution et mort des étoiles page 69 :

L’expansion de l’enveloppe conduit à un refroidissement de ses régions externes. Sur l’œuvre la surface de l’étoile est délimitée par la bordure ronde en jaune d’or. L’énergie produite en profondeur a du mal à parvenir à la surface. Certains ions se recombinent alors avec des électrons libres, ce qui produit une forte augmentation de l’opacité, laquelle accélère l’expansion.

ZONE CONVECTIVE ET PHOTOSPHERE : Ciel et Espace :

Le gradient de température devient considérable au niveau de la zone de recombinaison, ce qui déclenche la convection. Celle ci favorise le transport de l’énergie depuis l’intérieur, et l’expansion est encore accélérée. La convection amène à la surface par dragage (dredge up en anglais) de la matière interne dont la composition chimique a été modifiée par les réactions nucléaires. Page 70 de Naissance évolution et mort des étoiles : les impulsions produisent une importante perte de masse. Le rayon et la luminosité de l’étoile augmentent énormément au cours de la phase TP-AGB, tandis que sa température effective diminue : elle devient une supergéante rouge. L’enveloppe en expansion finit par devenir opaque car sa température de plus en plus basse permet la formation de molécules et de grains de poussière.

Sur l’œuvre du centre de l’étoile jusqu’à sa surface, du lithium ou 7Li est soulevé en flèches vertes dans la partie supérieure gauche, en haut c’est de l’hélium 4 qui est transporté à la surface en flèches jaunes et inversement qui est réinjecté dans les couches profondes de l’étoile. Dans la partie inférieure à droite l’hélium 4 est également transporté à la surface en flèches vertes, à côté le carbone 12 est propulsé par les flèches jaunes. Un peu plus bas c’est le lithium 7 en boules vertes qui est réinjecté dans les couches profondes, poussé par les flèches vertes. Ce dragage est également symbolisé en bas à gauche toujours à l’intérieur de l’enveloppe stellaire ; on aperçoit également en bas à gauche l’azote ou 14N en boules rose pourpre poussé par les flèches vertes.

Page 73 : l’étoile présente des instabilités et exécute des pulsations radiales dont la période est liée à sa luminosité et à sa masse.

Page 75 : le vent stellaire conduisant à la perte de masse, pousse les photons (en rose foncé et trait ondulatoire) qui sont absorbés par les atomes, puis ensuite réémis à la même fréquence. Il y a accélération nette de l’atome vers l’extérieur de l’étoile, ici représenté poussé par les flèches jaunes en haut et sur la droite, et poussé par les flèches vertes à gauche et en bas.
Page 79 : lorsque la zone de combustion de l’hydrogène atteint la surface, le vent stellaire ne contient plus d’hydrogène mais essentiellement de l’hélium et de l’azote, puis du carbone et éventuellement de l’oxygène pour les étoiles les plus massives.

Page 84 : NUCLEOSYNTHESE DANS LES GEANTES ROUGES :

Durant les impulsions thermiques, il y a une importante production de carbone 12 et les zones de combustion de l’hélium sont en contact avec des régions qui ont été enrichies en azote 14N et en carbone 13C et en autres produits issus de la combustion de l’hydrogène. De nouveaux isotopes sont engendrés par capture de noyaux d’hélium par exemple 18O l’oxygène 18 en boules bleues à droite : il s’est formé à partir de l’azote 14N en rose foncé et d’un hélium 4. Particulièrement importante est la réaction 13C + 4He qui donne 16O + n (un neutron) : cette réaction est symbolisée dans l’enveloppe interne en bas à droite et en haut à gauche, et elle est soulignée par un trait vert. Cette réaction à l ‘origine d’une nucléosynthèse très intéressante, résulte de capture de neutrons par les produits préexistants, suivie d’une désintégration B- si les isotopes synthétisés sont instables.

Page 85 : pour les étoiles de plus de 4 masses solaires, l’hydrogène brûlant à la base de l’enveloppe convective, les produits de nucléosynthèse sont alors aussitôt transportés à la surface par convection en particulier 7Be 7Li et 14N.

CIEL ET ESPACE :

Au delà de la bordure jaune de l’enveloppe stellaire, s’étend la chromosphère jusqu’à six fois le rayon de l’étoile. Il s’agit de la basse atmosphère de Bételgeuse, elle est plus chaude que la surface de l’étoile avec une température de 5000 °C sans que l’on comprenne pourquoi.

Sur l’œuvre dans la bordure rouge entourant l’enveloppe stellaire commence la chromosphère. Je découvre également Bételgeuse grâce au livre : »Bételgeuse Workshop 2012 » edp sciences : voici quelques passages de ce livre passionnant :
Page 121 : grâce au VLTI (Interféromètre du Very Large Télescope) la dynamique des gazs dans la chromosphère et la Molsphère d’une étoile autre que le soleil a pu être observée pour la première fois. De vigoureux mouvements de vastes amas de gaz CO ont été détectés avec des vitesses de plus de 20-30 km/s-1.
Page 131 : des séries spectrales dans la ligne du Ca II K observées lors d’ éclipses chromosphériques dans 31 Cyg et 32 Cyg ont montré de discrets amas de gaz se déplaçant très rapidement. Page 134 : des nuages de gaz isolés se déplacent à des vitesses de quelques 30 à 60 km/s -1, passent l’un à côté de l’autre, tandis que occasionnellement un autre situé plus bas dans la chromosphère se déplace à 100 km/s-1 et un autre à 45 km/s-1 : ces caractéristiques persistent environ un ou deux jours, puis disparaissent. Durant « l’egress » un amas complexe de nuages a été cartographié à une hauteur d’environ 0,4 à 0,5 R1. Page 135 : plus haut les mêmes nuages se retrouvent avec les mêmes caractéristiques, mais avec des vitesses d’environ 23 km/s-1 à une hauteur d’environ 0,9 Rayon stellaire. Page 136 : à environ 0,75 à 1 Rayon stellaire la ligne K se partage en deux. Une interprétation de ces analyses serait que la chromosphère est constituée de fontaines qui s’élèvent et retombent, avec d’abondants espaces vides entre elles. En résumé ces informations nous offrent un regard sur la structure externe et les vents de Bételgeuse : cela démontre que les chromosphères des supergéantes peuvent être extrêmement turbulentes, et la région située à un rayon stellaire au delà de l’étoile peut contenir un espace vide comme du matériel chromosphérique.

Sur l’oeuvre au delà de l’enveloppe stellaire allons à la découverte de la chromosphère qui s’étend jusqu’au bord de la toile marquant les limites de ce format : car en réalité et en respectant l’échelle, la chromosphère de Bételgeuse s’étendant jusqu’à six fois le rayon de l’étoile, celle-ci se déploierait bien au delà de l’œuvre. Je vous invite donc à une promenade à l’intérieur de la chromosphère de Bételgeuse, dans la partie encore proche de l’enveloppe stellaire.

Nous partons en bas à gauche et nous allons tourner dans le sens des aiguilles d’une montre. Nous commençons donc par les couches d’azote 14N éjectées vers l’extérieur, un peu plus haut ce sont les couches de carbone 12C en boules grises poussées elles aussi par les flèches jaunes. Toujours en bas dans le bord gauche nous apercevons les premières molécules de OH tout juste formées. Nous remontons à gauche où une flèche jaune dirigée vers l’extérieur indique la MOLsphère ou la sphère des molécules : elle se situe un peu plus loin, mais des interactions entre les différentes couches de la chromosphère et de la MOLsphère coexistent. Au dessus et en nous dirigeant vers le bord gauche supérieur nous traversons les couches de carbone 12C ainsi que d’hélium 4He, avant d’arriver au couches de CO : dans le bord gauche supérieur des grains de poussière notés GR se forment avec différentes molécules à leur surface. Tout en haut au milieu des couches d’oxygène 16O en boules bleu turquoise et d’azote 14N en boules roses sont poussées par les flèches jaunes. Nous arrivons sur le bord supérieur à droite de l’œuvre et nous traversons les couches de carbone 12C en boules grises et oxygène 16O en boules bleu turquoise. En redescendant à droite nous rencontrons l’azote 14N expulsé vers l’extérieur et qui croise les molécules de CO de la MOLsphère. En bas à droite c’est au tour des couches du carbone 12C d’être projetées au loin avec les molécules OH, et toujours en bas et au milieu nous suivons les couches d’azote 14N et de carbone 12C mélées aux couches d’oxygène 16O poussées par les petites flèches vers la MOLsphère.

J’espère que cette « promenade » à l’intérieur de Bételgeuse et de la partie interne de sa chromosphère offrira au public un moment agréable de découverte ainsi qu’une idée des mouvements de matière, remontées et retombées de gaz au sein de l’étoile, les vents transportant la chimie, les premières molécules, la poussière… Un merveilleux moment au plus profond de Bételgeuse.

Après cette première découverte de la structure interne et de la chromosphère de Bételgeuse, je vous invite à un autre voyage interne de cette étoile ainsi que d’autres géantes rouges telles 31 Cyg. grâce au livre f »Betelgeuse Workshop 2012 : The Physics of Red Supergiants : Recent Advances and Open Questions » . Voici quelques extraits de cet ouvrage :

Some extracts of the book : « Betelgeuse Workshop 2012 » : « The Physics of Red Supergiants : Recent Advances and Open Questions » :

Page 132 : Observing and analysing chromospheric eclipses :
A chromospheric eclipse offers a unique and extremely powerful tool for isolating and studying a stellar chromosphere. The eclipse of most significance here is the primary one, when the hot secondary is occulted by the primary. Series of spectra during ingress and egress reveal if the chromosphere is spherical, has even approximate symmetry, or is a confusion of individual clouds… Calcium with its low ionization potential, is a dominant constituent of the chromosphere.

Page 133 : In 31 Cyg the outer chromosphere is characterised by large clouds of gas that split, diverte and move rapidly through the line of sight…In 32 Cyg. The eclipse is grazing, so the spectra effectively sample « the polar plumes ».

Page 134 : Isolated clouds travelled at velocities of somme 30 to 60 km/s-1… while an occasional one low in the chromosphere moved at 100 km/s-1 and another at 45 km/s-1.

Page 135 : At greater heights, that same cloud became a more persistent feature, with a velocity that dwindled to 23 km/s-1 at a height of 0,9 radius.
32 Cyg. : Series of spectra showed numerous small clouds, moving with velocities of 100 km/s-1 or more and traceable through several days as they described foutains, changing from upflows to downflows.

Page 136 : In summary : its shows that K-supergiant chromospheres can be extremely turbulent, are likely to contain discrete, isolated and possibly randomly moving clouds of material, and that the region of the chromosphere up to about 1 stellar radius above the limb can contain as much empty space as chromospheric material.

Page 156 : What is the origin of the water vapour signatures in red giant stars ?
The water features were therefore attributed to a non-photospheric component wich consisted of warm (1000-2000K) water vapour a few stellar radii away from the photosphere. This concept of a stationary warm molecular envelope called a MOLsphere, is frequently used to explain the differences between synthetic spectra and infrared observations with water vapour features.

Page 176-177 : Molecules and dust in red supergiants :
This plethora of detected molecules indicates that RSG winds must be conducive to dust formation. However, the dust formation radius derived from data modelling in RSGs spans a wide value range. Danchi et al. (1994) derived a large inner radius (about 40 solar radius) for the dust shell in Ori from interferometric data, while the dust shell for VY CMa was found close to the star (about 5 solar radius) .

Page 178-179 : Nucleation of oxygen-rich dust :
The formation of cosmic dust from a gaseous medium requires high gas densities and temperatures and sufficient time for the nucleation of small clusters to proceed, followed by their coalescence, coagulation, and growth to form dust grains.Therefore, the dense, hot zones above the photosphere of evolved stars such as AGBs or RSGs are conducive to the procuction of dust grains. Because the photosphere of RSGs is rich in oxygen, silicon, magnesium, and aluminium owing to the nucleosynthesis in massive stellar cores, the condensates should include calcium-magnesium-iron silicates and metal oxides.

Page 180 : Silicate clusters in O-rich AGB winds :
The formation of silicate dust in RSGs chemically resembles that occuring in O-rich AGB stars. BOTH ENVIRONMENTS ARE h-rich and comprise silicon monoxide, SiO, atomic magnesium and iron, and water.

Page 182 : The gas conditions in RSG winds above the photosphere are hasher than those found in AGB outflows. As revealed by optical and UV observations of Ori, the chromospheric activity generates a hot plasma that coexists with a more abundant, cooler gas lifted above the photosphere by convective cells. It is then likely that the formation of dust in RSGs occurs in the dense, cool, clumpy component of the wind.

Page 185 : Red Supergiants and Post-Red Supergiants – The evidence for high mass loss events :
The complex circumstellar environments associated with several of the most luminous cool supergiants provide evidence for episodic high mass loss events. The origin of the high mass loss is not understood but circumstantial evidence strongly suggests that large scale surface activity and magnetic fields are responsible.

Page 187 : The numerous arc-like structures, knots, and filaments in the circumstellar ejecta of VY Cma are evidence for multiple, asymmetric mass loss events at different times apparently by localized processes from different regions on the star.
Starspots and large surface « asymmetries » have been observed on several stars including Betelgeuse and other red giants, AGB stars and supergiants, and the magnetic field strength has now been measured in the ejecta of many ot these stars including the strong OH/IR sources.