Mécanisme Applegate - Applegate mechanism
Le mécanisme Applegate ( le mécanisme de Applegate ou effet Applegate ) explique les variations de la période orbitale à long terme observés dans certains binaires à éclipses . Comme une étoile de la séquence principale passe par un cycle d'activité, les couches externes de l'étoile sont soumis à un couple magnétique changeant la distribution du moment cinétique, ce qui entraîne un changement de l' aplatissement de l'étoile. L'orbite des étoiles dans la paire binaire est couplée gravitationnellement à leurs changements de forme, de sorte que la période montre des modulations (typiquement de l'ordre de ∆P / P ∼ 10-5 ) sur la même échelle de temps que les cycles d'activité (typiquement sur l'ordre des décennies).
introduction
Une synchronisation minutieuse des éclipses binaires a montré que les systèmes présentant des modulations de période orbitale de l'ordre de ∆P / P ∼ 10 −5 sur une période de plusieurs décennies sont assez courants. Un exemple frappant d'un tel système est Algol , dont le dossier d'observation détaillé remonte à plus de deux siècles. Sur cette période, un graphique de la dépendance temporelle de la différence entre les temps observés des éclipses et les temps prédits montre une caractéristique (appelée «grande inégalité») avec une amplitude complète de 0,3 jour et une échelle de temps récurrente de plusieurs siècles . Cette fonction est superposée à une modulation secondaire d'une amplitude totale de 0,06 jour et d'une échelle de temps récurrente d'environ 30 ans. Des modulations de période orbitale d'amplitude similaire sont également observées dans d'autres binaires Algol .
Bien que récurrentes, ces modulations de période ne suivent pas un cycle strictement régulier. La récurrence irrégulière exclut les tentatives d'expliquer ces modulations de période comme étant dues à une précession absidale ou à la présence de compagnons éloignés et invisibles. Les explications de la précession absidale ont aussi le problème qu'elles nécessitent une orbite excentrique, mais les systèmes dans lesquels ces modulations sont observées montrent souvent des orbites de peu d'excentricité. De plus, les explications du troisième corps posent le problème que dans de nombreux cas, un troisième corps suffisamment massif pour produire la modulation observée n'aurait pas dû réussir à échapper à la détection optique, à moins que le troisième corps ne soit assez exotique.
Un autre phénomène observé dans certains binaires Algol a été l'augmentation monotone des périodes. Ceci est tout à fait distinct des observations beaucoup plus courantes d'augmentations et de diminutions de périodes alternées expliquées par le mécanisme Applegate. Les augmentations de période monotone ont été attribuées au transfert de masse, généralement (mais pas toujours) de l'étoile la moins massive à l'étoile la plus massive.
Mécanisme
L'échelle de temps et les modèles de récurrence de ces modulations de période orbitale ont suggéré à Matese et Whitmire (1983) un mécanisme invoquant des changements dans le moment quadripolaire d'une étoile avec un couplage spin-orbite ultérieur. Cependant, ils ne pouvaient fournir aucune explication convaincante de ce qui pourrait causer de telles fluctuations du moment quadripolaire.
Prenant le mécanisme de Matese et Whitmire comme base, Applegate a fait valoir que les changements dans le rayon de giration d'une étoile pourraient être liés aux cycles d'activité magnétique. La preuve à l'appui de son hypothèse est venue de l'observation qu'une grande partie des étoiles secondaires de type tardif des binaires Algol semblent être des étoiles convectives à rotation rapide, ce qui implique qu'elles devraient être chromosphériques actives. En effet, les modulations de période orbitale ne sont visibles que dans les binaires de type Algol contenant une étoile convective de type tardif.
Étant donné que le couplage quadripolaire gravitationnel est impliqué dans la production de changements de période orbitale, la question restait de savoir comment un champ magnétique pourrait induire de tels changements de forme. La plupart des modèles des années 1980 supposaient que le champ magnétique déformerait l'étoile en la distordant de l'équilibre hydrostatique. Marsh et Pringle (1990) ont cependant démontré que l'énergie requise pour produire de telles déformations dépasserait la production totale d'énergie de l'étoile.
Une étoile ne tourne pas comme un corps solide. Les parties extérieures d'une étoile contribuent le plus au moment quadripolaire d'une étoile. Applegate a proposé que lorsqu'une étoile traverse son cycle d'activité, les couples magnétiques pourraient provoquer une redistribution du moment cinétique à l'intérieur d'une étoile. En conséquence, l'aplatissement rotationnel de l'étoile changera, et ce changement entraînerait finalement un changement de la période orbitale via le mécanisme de Matese et Whitmire. Les calculs du bilan énergétique indiquent que l'étoile active doit généralement être variable au niveau ΔL / L ≈ 0,1 et doit tourner différentiellement au niveau ΔΩ / Ω ≈ 0,01.
Applicabilité
Le mécanisme Applegate fait plusieurs prédictions testables:
- Les variations de luminosité de l'étoile active doivent correspondre aux modulations de la période orbitale.
- Tout autre indicateur d'activité magnétique ( c'est-à-dire l' activité des taches solaires, la luminosité des rayons X coronaux, etc. ) doit également montrer des variations correspondant à des modulations de la période orbitale.
- Puisque de grands changements dans le rayon de l'étoile sont exclus par des considérations d'ordre énergétique, les variations de luminosité devraient être entièrement dues aux variations de température.
Les tests des prédictions ci-dessus ont soutenu la validité du mécanisme, mais pas sans ambiguïté.
L'effet Applegate fournit une explication unifiée pour de nombreuses courbes d'éphémérides (mais pas toutes) pour une large classe de binaires, et il peut aider à comprendre l' activité de la dynamo observée dans les étoiles en rotation rapide.
Le mécanisme Applegate a également été invoqué pour expliquer les variations des temps de transit observés des planètes extrasolaires , en plus d'autres effets possibles tels que la dissipation des marées et la présence d'autres corps planétaires.
Cependant, il existe de nombreuses stars pour lesquelles le mécanisme Applegate est inadéquat. Par exemple, les variations de la période orbitale dans certains binaires post-enveloppe commune éclipsant sont d'un ordre de grandeur plus grand que ce que permet l'effet Applegate, avec un freinage magnétique ou un troisième corps sur une orbite hautement elliptique fournissant les seuls mécanismes connus capables de expliquer la variation observée.