Projet ANR-11-BS56-0020 – TOUPIES : Vers une comprehension de l'evolution rotationnelle des etoiles
Programme : Blanc - SIMI 5-6 - Environnement, Terre et Espace (Blanc SIMI 5-6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Jérome BOUVIER (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES)
Partenaires : Laboratoire Univers et Particules de Montpellier; Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble; Astrophysique, Interprétation - Modélisation, Paris-Saclay; Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie
Montant : 469946.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : TOUPIES: Vers une comprehension de l'evolution rotationnelle des etoilesL'objectif du projet TOUPIES est de caracteriser et de modeliser l'evolution du taux de rotation des etoiles de faible masse depuis leur naissance jusqu'a leur maturite.
Caracterisation et modelisation des taux de rotation des etoiles de faible masseAlors que les principaux processus physiques qui gouvernent  l'évolution du moment cinetique des étoiles de type solaire sont probablement identifiés (vents magnétisés , interaction etoile-disque, transport interne de moment angulaire ), aucun n'est encore pleinement compris, et seuls une minorite sont inclus dans les modèles d'évolution stellaire . L'objectif du présent projet est d'acquérir une meilleure compréhension des processus physiques en jeu dans l'évolution de la rotation des étoiles de type solaire (dynamos stellaires, accrétion du disque, vents magnétiques, transport de moment angulaire , mélange des produits chimiques, etc ) et de les inclure dans une nouvelle génération de modèles stellaires dont les prédictions peuvent être testés par des contraintes observationnelles précises. Celles-ci seront obtenue dans le cadre du projet, en mesurant les taux de rotation de centaines d' étoiles de faible masse à différents stades d'évolution, depuis leur naissance jusqu'à l'âge du Soleil. Parce que le champ magnétique est un élément central de la plupart des processus physiques qui contrôlent l'évolution de la rotation (vents stellaires, interaction etoile-disque, couplage coeur-enveloppe), un effort important sera consacré à mesurer le champ magnétique a la surface des étoiles de type solaire à toutes les étapes d'évolution. Enfin , la teneur en lithium offre une fenêtre unique sur les processus de transport du moment cinétique internes, tels que les mecanismes de mélange résultant d' instabilités hydrodynamiques. La mesure des taux de rotation , les propriétés magnétiques, et l'abondance de lithium fourniront l'ensemble le plus complet et rigoureux des contraintes observationnelles qui permettront de valider une nouvelle génération de modèles d'évolution du moment cinétique pour les etoiles de type solaire.
Observations et modelesNous allons effectuer un suivi photométrique à long terme de plusieurs jeunes amas ouverts afin d'en déduire la distribution des taux de rotation de leurs membresde faible masse. En parallèle, l'observation spectropolarimétrique à long terme des jeunes Soleils fournira des indices sur leurs propriétés magnétiques, tandis que leur teneur en lithium sera mesuree par spectroscopie à haute résolution. Sur la partie modélisation, l'objectif est d'inclure dans une nouvelle génération de modèles stellaires  tous les processus physiques importants pour la rotation, à savoir le freinage magnétique par les vents stellaires, l'interaction magnétique etoile-disque, et le transport de moment cinetique au sein de l'etoile par des instabilités et des ondes de gravité.
Résumé de la soumission : La comprehension de l'evolution rotationnelle des etoiles de type solaire, de leur naissance a la fin de leur evolution sur la sequence principale, reste l'un des defis majeurs de la physique stellaire contemporaine. A la naissance, des coeurs pre-stellaires a la proto-etoile, le moment cinetique decroit par 4 ordres de grandeur, probablement evacue par des jets puissants d'origine magnetique. Durant l'evolution pre-sequence principale, l'interaction magnetique entre l'etoile jeune et son disque d'accretion semble dicter son evolution rotationnelle, l'empechant d'accelerer alors meme qu'elle se contracte vers la sequence principale et qu'elle accrete du moment cinetique du disque. A l'arrivee sur la sequence principale, la plus grande dispersion de vitesse de rotation est observee, s'echelonnant de quelques km/s a plus de 200 km/s. Quelques milliards d'annees plus tard, a l'age du Soleil, la vitesse de rotation excede rarement quelques km/s et la dispersion de vitesse initiale est reduite a quelques pourcents. Le freinage rotationnel subit par les etoiles de type solaire sur la sequence principale resulte de la perte de moment cinetique induite par des vents stellaires magnetises. Si les principaux processus physiques regissant l'evolution rotationnelle des etoiles de type solaire sont probablement identifies (vents magnetises, interaction etoile-disque, mecanismes de transport interne, etc.), aucun n'est totalement elucide, et peu sont inclus de maniere coherente dans les modeles d'evolution stellaire. Le but du projet propose est d'obtenir une comprehensiion physique des processus en jeu (dynamos stellaires, vents magnetises, couplage etoile-disque, transport de moment cinetique, mecanismes de melange, etc.) et de les integrer dans une nouvelle generation de modeles d'evolution stellaire dont les predictions pourront etre testees par des contraintes observationnelles rigoureuses. Ces dernieres seront obtenues dans le cadre du projet, en mesurant les taux de rotation de centaines d'etoiles de type solaire a diverses etapes evolutives, depuis leur naissance jusqu'a l'age sdu Soleil. Le champ magnetique etant l'element-clef de la plupart des processus qui controlent l'evolution rotationnelle des etoiles (vents stellaires, interaction etoile-disque, couplage coeur-envelope, etc.), un effort particulier sera mene pour mesurer l'intensite et la topologie du champ magnetique des etoiles de type solaire au long de leur evolution. Le meme jeu de donnees permettra en outre de determiner l'abondance en lithium des etoiles etudiees, qui offre une fenetre sur les processus de melange au sein de l'etoile. La mesure des taux de rotation, des proprietes magnetiques et de l'abondance en lithium fournira ainsi les contraintes observationnelles les plus completes et les plus fortes auxquelles les predictions d'une nouvelle generation de modeles stellaires d'evolution du moment cinetique seront confrontees.
Résultats : Les premieres distribution de rotation dans les amas jeunes ont ete obetnues, ainsi que la caracterisation des champs magnetique de plusieurs Soleil jeunes. Les modeles semi-empiriques permettent aujourd'hui de reproduire l'ensemble des observations et les modeles plus physiques commencent a inclure le transport de moment cinetique par ondes de gravite.
Perspectives : L'objectif reste d'inclure tous les processus physiques pertinents dans des modeles stellaire en rotation. Des observations supplémentaires de taux de rotation et du champ magnetique aideront a contraindre ces modèles. Alors les ondes internes de gravité commencent à être inclus dasn nos modeles, nous allons également nous concentrer sur la physique de l'interaction etoile-disque qui gouverne l'évolution de la vitesse angulaire des très jeunes étoiles.
Publications et brevets : Extrait des Publications 2013 (cf. http://ipag.osug.fr/Anr_Toupies/ pour une liste complete) 
   Ferreira, J.\ 2013.\ Braking down an accreting protostar : disc-locking, disc winds, stellar winds, X-winds and Magnetospheric Ejecta.\ EAS Publications Series 62, 169-225.
   Bouvier, J., Matt, S. P., Mohanty, S., Scholz, A., Stassun, K. G., Zanni, C.\ 2013.\ Angular momentum evolution of young low-mass stars and brown dwarfs : observations and theory.\ ArXiv e-prints arXiv:1309.7851.
    Bouvier, J.\ 2013.\ Observational studies of stellar rotation.\ EAS Publications Series 62, 143-168.
    Palacios, A.\ 2013.\ Influence of Rotation on Stellar Evolution.\ EAS Publications Series 62, 227-287.
    Moraux, E., and 11 colleagues 2013.\ The Monitor Project : Stellar rotation at 13\ Myr : I. A photometric monitoring survey of the young open cluster h\ Per.\ ArXive-prints arXiv:1306.6351. 
    Gallet, F., Bouvier, J.\ 2013.\ Improved angular momentum evolution model for solar-like stars.\ Astronomy and Astrophysics 556, A36. 
    Pinto, R. F., Brun, A. S.\ 2013.\ Flux Emergence in a Magnetized Convection Zone.\ The Astrophysical Journal 772, 55. 
    Charbonnel, C., Decressin, T., Amard, L., Palacios, A., Talon, S.\ 2013.\ Impact of internal gravity waves on the rotation profile inside pre-main sequence low-mass stars.\ Astronomy and Astrophysics 554, A40.
    Affer, L., Micela, G., Favata, F., Flaccomio, E., Bouvier, J.\ 2013.\ Rotation in NGC 2264 : a study based on CoRoT photometric observations.\ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 430, 1433-1446.
    Strugarek, A., Brun, A. S., Mathis, S., Sarazin, Y.\ 2013.\ Magnetic Energy Cascade in Spherical Geometry. I. The Stellar Convective Dynamo Case.\ The Astrophysical Journal 764, 189.
    Zanni, C., Ferreira, J.\ 2013.\ MHD simulations of accretion onto a dipolar magnetosphere. II. Magnetospheric ejections and stellar spin-down.\ Astronomy and Astrophysics 550, A99.