Stochastic excitation of stellar oscillations.
Application for the space mission COROT.
Excitation stochastique des oscillations stellaires.
Application à la mission spatiale COROT.
Résumé
The observed solar p-mode oscillations are damped due to several damping mechanisms and in the other hand they are believed to be excited stochastically by turbulent convection.
Turbulent motions, which occur in the convection zone, generate acoustic power which in turn is injected into the p-mode oscillations and thus ensures the modes excitation. Solar-like oscillations are therefore meant as stochastically excited oscillations and concern low massive stars with an outer convective zone.
Providing that accurate measurements of the oscillation amplitudes and
damping rates are available it is possible to evaluate the power
injected into the modes and thus- by comparison
with the observations- to constrain current theories.
In the present work we review the basic theory : inconsistencies are identified and removed and controversy between previous authors are solved. As a result I propose a new formulation which generalizes previous ones. This formulation enable investigations of various possible stellar turbulent models. The entropy contribution to excitation is found to originate from the advection of the Eulerian entropy fluctuations by the turbulent velocity field and dominates the contribution of the Reynolds stress.
Numerical computations performed in the solar case and in the case of Procyon reveal the sensitivity to the free parameters - involved in the theory- and to the model of stellar turbulence. Application to several low intermediate stars (1 Mo < M < 2 Mo) located in the main-sequence shows that hotter stars are more sensitive to the turbulent features and thus can yield more information.
The forthcoming space mission COROT will provide high-quality data of solar oscillations. In order to optimize the scientific return of the mission we have developed a numerical simulation of the whole photometric chain. This simulation allows use to assess the instrument response which has been convoluted with the oscillations power. We conclude that the high performances of COROT will provide accurate constraints for the theory of the stochastic excitation developed in the present work.
Turbulent motions, which occur in the convection zone, generate acoustic power which in turn is injected into the p-mode oscillations and thus ensures the modes excitation. Solar-like oscillations are therefore meant as stochastically excited oscillations and concern low massive stars with an outer convective zone.
Providing that accurate measurements of the oscillation amplitudes and
damping rates are available it is possible to evaluate the power
injected into the modes and thus- by comparison
with the observations- to constrain current theories.
In the present work we review the basic theory : inconsistencies are identified and removed and controversy between previous authors are solved. As a result I propose a new formulation which generalizes previous ones. This formulation enable investigations of various possible stellar turbulent models. The entropy contribution to excitation is found to originate from the advection of the Eulerian entropy fluctuations by the turbulent velocity field and dominates the contribution of the Reynolds stress.
Numerical computations performed in the solar case and in the case of Procyon reveal the sensitivity to the free parameters - involved in the theory- and to the model of stellar turbulence. Application to several low intermediate stars (1 Mo < M < 2 Mo) located in the main-sequence shows that hotter stars are more sensitive to the turbulent features and thus can yield more information.
The forthcoming space mission COROT will provide high-quality data of solar oscillations. In order to optimize the scientific return of the mission we have developed a numerical simulation of the whole photometric chain. This simulation allows use to assess the instrument response which has been convoluted with the oscillations power. We conclude that the high performances of COROT will provide accurate constraints for the theory of the stochastic excitation developed in the present work.
On a tout lieu de croire que les oscillations acoustiques du Soleil, qui sont sujettes à différents mécanismes complexes d'amortissement, sont excitées stochastiquement par les mouvements incohérents de matière dans la zone convective.
Ces mouvements turbulents sont à l'origine d'une puissance acoustique injectée dans les oscillations et en assurent la survie. On désigne alors par oscillations de type solaire des oscillations acoustiques excitées par ce mécanisme, elles concernent les étoiles de masse intermédiaire dotées d'une zone convective supérieure.
Pour peu que des mesures précises d'amplitude et d'amortissement soient disponibles il est possible d'évaluer cette puissance acoustique et de contraindre la physique du phénomène.
Dans ce travail les bases de cette théorie ont été reconsidérées : les inconsistances ont été identifiée et supprimées et les controverses entre les auteurs précédents résolues. Il en résulte une nouvelle formulation qui généralise le traitement de la turbulence.
Le terme d'advection des fluctuations turbulentes de l'entropie par le champ de vitesse est identifiée comme la source d'excitation dominant largement la source liée au stress de Reynolds.
Les études quantitatives effectuées pour un modèle du Soleil et de Procyon ont révélé la grande sensibilité aux paramètres libres, introduits dans la théorie, ainsi qu'à la modélisation de la turbulence. L'application de cette formulation à des étoiles de masse intermédiaire ( 1 M o< M < 2 Mo) de la séquence principale a mis en évidence des effets systématiques relatifs aux paramètres stellaires : plus l'étoile est chaude plus la sensibilité au spectre de turbulence est exacerbée et plus elles sont porteuses d'information.
La future mission spatiale COROT devrait collecter des données de haute qualité sur ce type d'étoile. Dans cette perspective et pour optimiser le retour scientifique nous avons développé un modèle numérique de la chaîne photométrique de l'instrument. Ce modèle nous a permis d'apprécier la réponse de l'instrument que nous avons alors convolué avec nos estimations des puissances.
On établit que les hautes performances de COROT devraient être capables de nous fournir les contraintes observationnelles sur la théorie développée dans le présent travail.
Ces mouvements turbulents sont à l'origine d'une puissance acoustique injectée dans les oscillations et en assurent la survie. On désigne alors par oscillations de type solaire des oscillations acoustiques excitées par ce mécanisme, elles concernent les étoiles de masse intermédiaire dotées d'une zone convective supérieure.
Pour peu que des mesures précises d'amplitude et d'amortissement soient disponibles il est possible d'évaluer cette puissance acoustique et de contraindre la physique du phénomène.
Dans ce travail les bases de cette théorie ont été reconsidérées : les inconsistances ont été identifiée et supprimées et les controverses entre les auteurs précédents résolues. Il en résulte une nouvelle formulation qui généralise le traitement de la turbulence.
Le terme d'advection des fluctuations turbulentes de l'entropie par le champ de vitesse est identifiée comme la source d'excitation dominant largement la source liée au stress de Reynolds.
Les études quantitatives effectuées pour un modèle du Soleil et de Procyon ont révélé la grande sensibilité aux paramètres libres, introduits dans la théorie, ainsi qu'à la modélisation de la turbulence. L'application de cette formulation à des étoiles de masse intermédiaire ( 1 M o< M < 2 Mo) de la séquence principale a mis en évidence des effets systématiques relatifs aux paramètres stellaires : plus l'étoile est chaude plus la sensibilité au spectre de turbulence est exacerbée et plus elles sont porteuses d'information.
La future mission spatiale COROT devrait collecter des données de haute qualité sur ce type d'étoile. Dans cette perspective et pour optimiser le retour scientifique nous avons développé un modèle numérique de la chaîne photométrique de l'instrument. Ce modèle nous a permis d'apprécier la réponse de l'instrument que nous avons alors convolué avec nos estimations des puissances.
On établit que les hautes performances de COROT devraient être capables de nous fournir les contraintes observationnelles sur la théorie développée dans le présent travail.
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