Projet ANR-13-BS05-0006 – IMAGINE : Investigating MAGnetism of INtErmediate-mass and massive stars
Programme : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur François LIGNIÈRES (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie)
Partenaires : Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie; Laboratoire d'Études Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique
Montant : 330298.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : IMAGINE : Investigating MAGnetism of INtErmediate-mass and massive starsLe projet IMAGINE étudie le magnétisme des étoiles massives et de masse intermédiaire pour mieux comprendre son origine et son impact sur l'évolution de ces étoiles.
Vers une vision cohérente du magnétisme des étoiles massives et de masse intermédiaireComprendre le magnétisme des étoiles massives et de masse intermédiaire est essentiel pour la théorie de l'évolution stellaire. Les champs magnétiques sont en effet connus pour jouer un rôle fondamental dans les processus de transport dont la modélisation doit permettre d'améliorer les modèles d'étoile. Pourtant, jusqu'à récemment, seuls quelques étoiles massives et une faible (5%) proportion d'étoile de masse-intermédiaire étaient identifiées comme magnétiques. Le paradigme actuel, la théorie du champ fossille, qui décrit ce magnétisme comme issu d'une phase précoce de la vie de l'étoile, laisse de nombreuses questions en suspend, comme par exemple celle de la faible proportion d'étoiles magnétiques, et en pratique il ne fournit aucune contrainte pour les modèles d'évolution stellaire. Récemment, de nouveaux indices ont été apportés par une nouvelle génération de spectropolarimètres. D'abord, la même proportion de forts champs magnétiques a été trouvée parmi les étoiles massives suggérant une origine commune aux champs des étoiles massives et de masse intermédiaire. Puis, une limite inférieure aux champs magnétiques des étoiles de masse intermédiaire, un désert magnétique et finalement un nouveau type de magnétisme infra-Gauss ont été découverts. En partant de ces résultats, notre objectif est de combiner travaux théoriques et observationnels afin de fournir une vision cohérente du magnétisme des étoiles massives et de masse intermédiaire. Nous suivrons en particulier l'idée selon laquelle la dichotomie observée entre champs forts et champs faibles est due à une bifurcation entre configurations magnétiques stables et instables dans une étoile en rotation différentielle.
Modèles et observationsD'une part, nous effectuons et analysons des observations spectropolarimétriques de champs magnétiques fossiles pour étudier la dépendance de la limite inférieure de leur champ dépend des propriétés de l'étoile en particulier la rotation et la masse. La stabilité des configurations magnétiques à grande échelle dans une étoile en rotation différentielle est étudiée par des simulations numériques dans le but de reproduire quantitativement le champ minimum observé et le désert magnétique. D'autre part, nous cherchons et caractérisons les champs magnétiques faibles de type Vega parmi les étoiles massives et de masse intermédiaire.
Résumé de la soumission : Understanding the magnetism of massive and intermediate-mass stars is critical to make progress in stellar evolution theory. Magnetic fields are known to play a fundamental role in the transport processes that need to be considered to improve stellar models. Yet, until recently, only a few massive stars and a small (~5%) fraction of intermediate-mass stars were known to be magnetic. The current paradigm, the fossil field theory, describes this magnetism as remnant of an early phase of the star-life, but leaves many basic questions unanswered, such as the small fraction of magnetic stars, and in practice provides no constraint to stellar evolution theory.In recent years, a new generation of spectropolarimeters has provided new clues to understand this magnetism. First, the same proportion of strong magnetic fields have been detected among intermediate-mass and massive stars, suggesting a common origin to their magnetism. Then, unanticipated observations revealed the lower bound to the magnetic fields of intermediate-mass stars and a two orders of magnitude magnetic desert between this lower bound and a new type of sub-Gauss magnetism, first discovered on the bright star Vega. This prompted a scenario where the strong fossil and weak Vega-like magnetisms originate from the bifurcation between stable and unstable large scale magnetic configurations in differentially rotating stars. Based on these new findings, we propose a combination of modelling and observational efforts that will provide a coherent view of massive and intermediate-mass star magnetism. We shall take advantage of an unprecedented set of recent and ongoing spectropolarimetric surveys to gather constraints on the stability of the fossil magnetic fields by studying (i) the dependence of its lower bound as a function of rotation and mass, (ii) its occurrence in close binary systems and (iii) how it survives to post-main-sequence evolution. The stability of large scale magnetic fields in differentially rotating stars will be investigated numerically as an attempt to quantitatively reproduce the observed minimum field and the magnetic desert. Concerning Vega-like magnetism, a deep spectropolarimetric survey will tell whether this new type of magnetism is ubiquitous among intermediate-mass and massive stars, which would provide to stellar evolution models the first constraint on the field strength of a typical star. Meanwhile, the possibility that it originates from a dynamo driven by differential rotation will be investigated theoretically. The project will benefit from up-to-date computing facilities.
Résultats : Une campagne d'observations de champs fossiles faibles a été réalisée pour démontrer la dépendance  de la limite inférieure des champs magnétiques des étoiles Ap/Bp avec le taux de rotation. L'analyse des résultats est en cours. La stabilité d'un champ dipolaire soumis à une rotation différentielle initiale a été étudiée par des simulations axisymétriques et tri-dimensionnelles. Les résultats précisent la bifurcation entre champs forts et stable, et champs faibles et instables censée être à l'origine de la dichotomie entre les champs de type fossile et de type Vega.  L'étude observationnelle du magnétisme de type Vega a d'abord permis de confirmer la présence d'un signal polarimétrique à la surface de trois autres étoiles de masse intermédiaire, Sirius, Beta Uma et Theta Leo. Sur Vega, une modulation rotationnelle de la brillance, très probablement induite par des tâches ou plages magnétiques, a été détectée à partir d'observations spectroscopiques. Finalement, la présence de champ de type Vega à la surface d'étoiles plus massives a été contrainte par des observations spectropolarmétriques profondes sur des cibles choisies.
Perspectives : La dépendance du champ inférieur des étoiles Ap/Bp avec la rotation sera établie et comparée aux résultats des simulations numériques décrivant la stabilité des champs fossiles en présence de rotation différentielle. Ces denières gagneront en réalisme par l'introduction des effets de la stratification stable et d'un mécanisme de forcage de la rotation différentielle. Les propriétés du magnétisme de type Vega et sa présence parmi les étoiles plus massives fera l'objet de nouvelles campagnes d'observations.
Publications et brevets : Gaurat, M., Jouve, L., Lignières, F., Gastine, T. \2015, soumis à A&A
Blazère, A., Petit, P., Lignières, F., Aurière, M., Ballot, J., Böhm, T., Folsom C., Lopez-Ariste, A, Wade, G. \ 2015, IAU Symposium 305, sous presse
Böhm, T., Holschneider, M., Lignières, F.,Petit, P.; Rainer, M.; Paletou, F.; Wade, G.; Alecian, E.; Carfantan, H.; Blazère, A.; Mirouh, G. M. \2015, A&A, 577, A64
Jouve, L., Gastine, T.,  Lignières, F.\ 2015, A&A, 575, A106 
Blazère, A., Neiner, C., Bouret, J.-C., Tkachenko, A.\ 2015, IAU Symposium, 307, 367
Blazère, A., Petit, P., Lignières, F., Aurière, M., Böhm, T., Wade, G. \ 2014, SF2A-2014: Proceedings of the Annual meeting of the French Society of Astronomy and Astrophysics, 463 
Neiner, C., Folsom, C.P., Blazere, A.\ 2014, SF2A-2014: Proceedings of the Annual meeting of the French Society of Astronomy and Astrophysics, 163 
Wade, G.~A., Folsom, C.~P., Petit, P., Petit, V.; Lignières, F., Aurière, M., Böhm, T.\ 2014, MNRAS, 444, 1993 
Lignières, F., Petit, P., Aurière, M., Wade, G.A., Böhm, T.\ 2014, IAU Symposium, 302, 338 
Petit, P., Lignières, F., Wade, G.A., Aurière, M., Wade, G.A., Böhm, T. et al. \ 2014, A&A, 568, C2 
Neiner, C., Monin, D., Leroy, B., Mathis, S., Bohlender, D.\ 2014, A&A, 562, A59