Sur les origines photosphériques des structures dans les vents des étoiles chaudes et lumineuses

Abstract

Des progrès majeurs dans la caractérisation des vents des étoiles chaudes et lumineuses de type spectral O ont été accomplis durant l'ère de la mission spatiale IUE (International Ultraviolet Explorer). La détection des énigmatiques composantes discrètes en absorption (`discrete absorption components' -- DACs) est d'un intérêt primordial: ces petites raies en absorption variables apparaissent et se propagent dans les parties en absorption des profils P Cygni des raies de résonance non saturées des étoiles O dans l'UV, et sont interprétées comme la manifestation spectroscopique de la présence de structures spiralées à grande échelle dans leurs vents, les régions d'interactions en corotation (`corotating interaction regions' -- CIRs). En outre, plusieurs observations spectroscopiques menées à partir du sol ont révélé la nature grumelée des vents des étoiles O. De nombreux travaux théoriques sont apparus pendant les trois dernières décennies concernant les origines de ces deux catégories distinctes de structures. Notamment, certaines études théoriques ont trouvé que ces structures peuvent prendre source au niveau de la photosphère stellaire. Néanmoins, le dernier mot revient toujours aux observations, même si, dans ce cas-ci, beaucoup de travail reste encore à faire à cet égard.

Le projet de recherche mené dans le cadre de cette thèse, essentiellement de nature observationnelle, a pour objectif d'investiguer cette possibilité des origines photosphériques des structures dans les vents des étoiles massives de type spectral O, en sondant la variabilité photosphérique à faibles amplitudes de trois étoiles massives de type spectral O clés, xi Persei [O7.5III(n)((f))], zeta Puppis [O4I(n)fp], et V973 Scorpii [O8Iaf], moyennant la photométrie à haute précision et résolue dans le temps avec le microsatellite MOST (Microvariabilité et Oscillations STellaires) et les nanosatellites de la mission BRIght Target Explorer (BRITE-Constellation). Pour zeta Pup, un suivi spectroscopique de la variabilité de la raie d'émission HeII 4686 émise dans son vent a aussi été réalisé simultanément avec les observations BRITE de l'étoile. Ces efforts ont permis la détection de taches claires photosphériques induisant les CIRs dans les vents des étoiles O, ainsi que la détection de structures générées stochastiquement à la photosphère et induisant le grumelage dès la base du vent. Le mécanisme à l'origine des taches claires (notamment la possibilité qu'elles soient d'origine magnétique), la vraie nature des structures photosphériques excitées aléatoirement (qu'elles soient la manifestation d'ondes de gravité internes ou de turbulences dans une zone de convection subsurfacique), ainsi que la question de l'universalité de ces deux catégories de structures photosphériques chez les étoiles O, feront l'objet des prochaines étapes de cette quête à long terme.

Major advances in the characterization of hot star winds have been achieved during the era of the International Ultraviolet Explorer (IUE) space-based mission. Of paramount interest was the detection of the enigmatic discrete absorption components (DACs): time-variable discrete absorption features propagating in the P Cygni absorption troughs of unsaturated UV resonance lines of O stars, best interpreted as spectroscopic manifestations of the presence of large-scale spiral-like corotating interaction regions (CIRs) in the stellar wind. Additionally, ground-based optical spectroscopic observations have indicated the clumpy nature of the winds of O stars. Several theoretical investigations on the origins of these two distinct types of hot star wind structures have emerged over the past three decades. Particularly, some theoretical studies have found the possibility that both of these wind structures might have their origins at the level of the stellar photosphere. Nevertheless, the last words always belong to the observations, although in this particular case a lot of work still needs to be done in that regard.

The research project conducted in the context of this thesis, essentially observational in nature, aims towards the investigation of the potential photospheric sources of those structures in hot stellar winds, by probing the low-amplitude photospheric variability of three key massive O-type stars, xi Persei [O7.5III(n)((f))], zeta Puppis [O4I(n)fp], and V973 Scorpii [O8Iaf], by means of high-precision time-dependent photometry with the Microvariability and Oscillations of STars (MOST) microsatellite, and the nanosatellites of the BRIght Target Explorer (BRITE-Constellation) mission. For zeta Pup, simultaneous ground-based intensive spectroscopic monitoring of the HeII 4686 wind emission line of the star was also performed. These efforts led to the detection of observational evidence for the presence of bright photospheric spots driving CIRs in hot stellar winds, as well as some stochastically-triggered surface structures initiating clumping at the very base of the wind. The origins of the bright spots (particularly the possibility that they might be of magnetic origin), the true nature of the randomly-excited photospheric structures (whether they are the manifestations of internal gravity waves or turbulent convection in a subsurface convection zone), as well as the universality of both of these photospheric structures in O-type stars, will be the main subjects of the next steps in this long-term quest.