Sismologie des planètes aux étoiles. R.F. Garcia et J. Ballot Equipes GPPS et PSS

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1 Sismologie des planètes aux étoiles R.F. Garcia et J. Ballot Equipes GPPS et PSS

2 Plan Objectifs scientifiques Sources d'ondes (excitation) Observables Modèles de structure interne Théorie/méthodologie Sismologie globale Sismologie locale Similitudes et Convergences Conclusion

3 Des objets différents, mais des objectifs scientifiques similaires Déterminer la structure interne Apporter des contraintes sur la dynamique Structure interne du manteau terrestre Structure interne des Pyrénées Souriau et al. (2008) Rotation interne du Soleil

4 Sources d'ondes sismiques planétaires Séismes = source finie en temps et espace Lognonné et al. (2008) Profondeur (km) Mécanismes au foyer des séismes Sismicité de la Terre Séismes lunaires profonds

5 Sources d'ondes sismiques planétaires Séismes = source finie en temps et espace Lognonné et al. (2008) Profondeur (km) Mécanismes au foyer des séismes Sismicité de la Terre Excitation par les enveloppes fluides Périodes 500 s Séismes lunaires profonds 7s Bruit sur les sismomètres Rhie et Romanowicz (2007) Chevrot et al. (2008)

6 Sources d'ondes sismiques planétaires Séismes = source finie en temps et espace Lognonné et al. (2008) Profondeur (km) Complexités: - Distribution très hétérogène des sources Mécanismes au foyer des séismes Sismicité de la Terre Excitation par les enveloppes fluides Périodes 500 s Séismes lunaires profonds 7s Bruit sur les sismomètres Rhie et Romanowicz (2007) Chevrot et al. (2008)

7 Sources d'ondes sismiques stellaires Excitation stochastique d'ondes et de modes par la turbulence (convection) à la surface des étoiles de type solaire Oscillations auto-entretenues de modes instables par κ-mécanisme. Granulation solaire κ-mécanisme Gastine 2009

8 Observables planétaires Gamme de périodes = [15 min à 0.1 s] Instruments: Vitesse ou Accélération du sol Réseaux sismiques: Réseaux sismiques globaux large bande [1mHz; 20 Hz] Projets PYROPE et TOPOIBERIA Réseau sismique Apollo

9 Observables planétaires Gamme de périodes = [15 min à 0.1 s] Instruments: Vitesse ou Accélération du sol Complexités: -Observable ponctuelle Réseaux sismiques: sismiques globaux -Réseaux Couverture hétérogène Projets PYROPE large bande [1mHz; 20 Hz] TOPOIBERIA - Volume de données eten croissance Réseau sismique Apollo

10 Observables stellaires Gamme de périodes: 1 min à quelques heures Instruments: Mesures : vitesse (Doppler) / luminosité Réseau sol (GONG) Instruments spatiaux Imagerie possible pour le Soleil (MDI/SoHO & HMI/SDO)

11 Observables stellaires Gamme de périodes: 1 min à quelques heures Instruments: Complexités: Mesures : vitesse (Doppler) / luminosité - Assurer la couverture temporelle Réseau sol (GONG) (continuité et durée) - Oscillations de faible amplitude Instruments - Quantité intrégréespatiaux pour les étoiles Imagerie possible pour le Soleil (MDI/SoHO & HMI/SDO)

12 Structure interne sismologique des planètes Fortes discontinuités chimiques (Silicates/Fer) Modèle sismologique radial de la Terre Dziewonski (1981)

13 Structure interne sismologique des planètes Fortes discontinuités chimiques (Silicates/Fer) Hétérogénéités 3D jusqu'à 10% Profondeur (km) Modèle sismologique radial de la Terre Dziewonski (1981) Perturbation 3D en %

14 Structure interne sismologique des planètes Fortes discontinuités chimiques (Silicates/Fer) Hétérogénéités 3D jusqu'à 10% Ondes de cisaillement et anisotropie minérale dans les parties solides Profondeur (km) Modèle sismologique radial de la Terre Dziewonski (1981) Perturbation 3D en % Minéral Roche

15 Structure interne sismologique des planètes Fortes discontinuités chimiques (Silicates/Fer) Hétérogénéités 3D jusqu'à 10% Complexités: Ondes de cisaillement minérale -La couverture des donnéesetneanisotropie permet pas de résoudre dans les parties solides tous les paramètres - Les structures profondes sont masquées/biasées par les fortes hétérogénéités en surface Profondeur (km) Modèle sismologique radial de la Terre Dziewonski (1981) Perturbation 3D en % Minéral Roche

16 Structure interne des étoiles Modèles de structure 1D (évolution stellaire) Soleil Etoile + évoluée Structure interne du soleil Silva et al., soumis

17 Structure interne des étoiles Rotation différentielle à l'intérieur des étoiles Structure des tâches solaires Rotation interne du Soleil Perturbations 3D de la vitesse du son Kosovichev et al. (2005)

18 Structure interne des étoiles Rotation différentielle à l'intérieur des étoiles Structure des tâches solaires Complexités: Rotation interne du Soleil des étoiles Perturbations 3D de vitesse du son - Rotation rapide change lalastructure interne - Effet du magnétisme des étoiles? Kosovichev et al. (2005)

19 Sismologie globale Champ d'ondes stellaire Calcul des modes de vibrations propres des étoiles Mode propre Tracé de rayons

20 Sismologie globale Champ d'ondes stellaire Calcul des modes de vibrations propres des étoiles Mode propre Tracé de rayons Exemple d'effet de la rotation Calcul de modes et de rayons Dans une étoile à rotation rapide Reese et al (2006), Lignières et al. (2008)

21 Sismologie globale Champ d'ondes des planètes Modes propres de vibration: GEOSCOPE

22 Sismologie globale Champ d'ondes des planètes Modes propres de vibration: GEOSCOPE Ondes de surface: onde stationnaire en vertical et progressive en horizontal:

23 Sismologie globale Champ d'ondes des planètes Modes propres de vibration: GEOSCOPE Ondes de surface: onde stationnaire en vertical et progressive en horizontal: Théorie des rais (hautes fréquences ~1 Hz) = Descriptions équivalentes

24 Sismologie locale Fonctions de Green (réponse du milieu à une excitation ponctuelle) par corrélation de bruit Sources équi-réparties Corrélation des signaux Larose et al. (2006) Distribution aléatoire des sources Shapiro et al. (2006) Source en b enregistrée en a Source en a enregistrée en b

25 Sismologie locale solaire Courbes temps/distance par corrélation entre les pixels d'une suite d'images du soleil Courbes temps/distance Gizon et al. (2010) Sensibilité du temps de trajet des rayons aux variations de la vitesse du son

26 Sismologie locale solaire Modèles obtenus Variations de vitesse du son Vitesses de déplacement (flux) Perturbation de la vitesse du son sous une tache solaire Kosovichev et al. (2005) Vitesses horizontales en surface obtenues superposées au champ magnétique radial mesuré Gizon et al. (2009)

27 Sismologie locale planétaire Ondes de surface par corrélation de bruit (distribution inhomogène des sources, limité à la croûte concentrant les hétérogénéités) Shapiro et al., 2006 Campillo (2006)

28 Sismologie locale planétaire Ondes de surface par corrélation de bruit (distribution inhomogène des sources, limité à la croûte concentrant les hétérogénéités) Imagerie de la croûte Shapiro et al., 2006 Campillo (2006) Shapiro et al. (2005)

29 Sismologie locale planétaire Ondes de surface par corrélation de bruit (distribution inhomogène des sources, limité à la croûte concentrant les hétérogénéités) Imagerie de la croûte Shapiro et al., 2006 Campillo (2006) Shapiro et al. (2005) Larose et al., 2005

30 Sismologie locale planétaire Méthodologie de calcul de noyaux de sensibilité du temps de propagation et de l'amplitude aux variations de vitesse: Pour les ondes de surface: Pour les rais: Zhao et Chevrot, In press

31 Sismologie locale planétaire Méthodologie de calcul de noyaux de sensibilité du temps de propagation et de l'amplitude aux variations de vitesse: Pour les ondes de surface: Pour les rais: Zhao et Chevrot, In press

32 Sismologie locale planétaire Méthodologie de calcul de noyaux de sensibilité du temps de propagation et de l'amplitude aux variations de vitesse: Pour les ondes de surface: Pour les rais: Zhao et Chevrot, In press T=20s T=2s Hung et al., 2000

33 Similitudes et Convergences Sismologie locale Les noyaux de sensibilité des ondes constituent un outil commun Les méthodes de calcul rapide utilisées pour la Terre pourraient être testées pour le soleil

34 Similitudes et Convergences Non-linéarités et modélisation numérique du champ d'ondes modèles 2D incluant la rotation différentielle des étoiles: codes ESTER (structure) et TOP (calcul numériques des oscillations) modèles 3D des perturbations de vitesse dans la Terre: calcul numérique de la propagation des ondes Rieutord et al. (2005), Ballot et al. (2010) Komatitsch et al. (2005)

35 Similitudes et Convergences Planètes à atmosphères denses? Etude des couplages solide/atmosphère des planètes Planètes à atmosphères denses milieu dynamique (vents zonaux) Utilisation des méthodes de calcul stellaires? Perturbations ionosphériques au dessus d'un séisme Garcia (2009) Ondes de gravité et vortex dans l'atmosphère de Vénus Garcia et al. (2009)

36 Conclusion Réel intérêt trans-disciplinaire sur des outils communs Héliosismologie locale Modélisation numérique des ondes Intérêt peut être plus grand sur des outils qui ne sont pas communs (Chaos quantique? Prise en compte de milieux dynamiques? Petits corps?) Tout à faire, mais réel plaisir scientifique à découvrir la sismologie stellaire.

37 Conclusion

38 Conclusion