Le diagramme HR avec Gaia DR1

30/11/2017. Le diagramme de Hertzsprung-Russell (du nom de ses deux inventeurs, Ejnar Hertzsprung et Henry Norris Russell) montre la relation qui existe entre la luminosité propre des étoiles (leur magnitude absolue) et leur couleur ou leur température (la couleur permet d’estimer la température). Les étoiles les plus brillantes sont en haut du diagramme ; les étoiles les plus froides (qui sont les plus rouges), sont à droite. Les étoiles ne se placent pas n’importe où dans ce diagramme : la plupart d’entre elles se concentrent sur la séquence principale, ou séquence des étoiles naines, ligne sinueuse en diagonale du diagramme, où les étoiles passent la plus grande partie de leur vie. Cela correspond à la longue période pendant laquelle elles brûlent leur hydrogène, le transformant en hélium.

La deuxième séquence remarquable est la séquence des géantes, en haut à droite du diagramme. Les étoiles s’y déplacent peu à peu lorsqu’elles brûlent leur hélium et deviennent de plus en plus brillantes et de plus en plus froides. Elles continuent à brûler le reste de leur hydrogène mais dans leur enveloppe cette fois-ci. En haut de la Figure 1, on remarque une petite barre légèrement inclinée vers la droite, vers M_G = 0.5 et G-K_s=2. Elle est appelée le Red Clump (le grumeau rouge), et correspond à la période pendant laquelle l’hélium du cœur de ces géantes rouges est en fusion.

Figure 1 (à gauche) : Diagramme de Hertzsprung-Russell pour les étoiles du premier catalogue Gaia (Gaia DR1) dont l’erreur relative sur la parallaxe trigonométrique est meilleure que 10%, la photométrie 2MASS de bonne qualité, et l’extinction faible (E(B-V)<0.015). Ces conditions permettent de sélectionner 149 226 étoiles situées à moins de 400 pc du Soleil.
Figure 2 (à droite) : Même diagramme, mais sans condition sur l’extinction.

Les parallaxes trigonométriques telles qu’obtenues à partir des données Gaia permettent de déterminer directement la distance des étoiles observées mais leur précision relative décroit avec la distance. Pour aller plus loin, on utilise des chandelles standard (standard candles), étoiles dont on peut calibrer la magnitude absolue avec précision à partir de celles qui sont les plus proches. Les étoiles du Red Clump sont particulièrement importantes dans ce cadre car leur magnitude absolue ne dépend que très peu de leur couleur, de leur âge ou de leur composition chimique et elles sont très nombreuses.

Pour calibrer la magnitude absolue des géantes rouges du Red Clump, il faut non seulement disposer d’excellentes mesures de la parallaxe trigonométrique, mais aussi que les étoiles soient assez proches pour que très peu de matière absorbante, gaz et poussière, ne vienne obscurcir et rougir leur lumière, ou alors, si les étoiles sont plus lointaines, qu’il soit possible de déterminer cette extinction avec précision. Les géantes rouges observées par Hipparcos avec précision étaient suffisamment proches pour que l’extinction susceptible de les affecter soit négligeable. Ceci n’est plus le cas pour les géantes observées par Gaia, même pour les 2 millions d’entre elles qui font partie du sous-ensemble TGAS (Tycho-Gaia astrometric solution) du premier catalogue Gaia, Gaia DR1.

Pour déterminer l’extinction pour ces étoiles, les dernières cartes d’extinction de Capitanio et al (2017), obtenues grâce, entre autre, aux parallaxes TGAS, ont été utilisées pour sélectionner les étoiles avec une extinction faible (telles que leur excès de couleur, E(B-V), soit inférieur à 0.015 magnitude). Les autres critères de sélection permettent de choisir les étoiles dont les distances sont les mieux connues (erreur relative sur la parallaxe trigonométrique TGAS plus faible que 10%) et la photométrie du Catalogue 2MASS (Cutri et al 2003) de bonne qualité. Ces différents critères conduisent à la sélection de 149 226 étoiles situées à moins de 400 pc du Soleil. Les étoiles du haut de la branche des géantes rouges sont absentes car ces étoiles très brillantes et très rouges sont saturées dans 2MASS. Le diagramme HR, M_G (magnitude absolue dans la bande G) en fonction de G-K_s (où K_s est l’une des magnitudes du catalogue 2MASS), ainsi obtenu est montré sur la Figure 1.

La Figure 2, à droite, montre le même diagramme HR, mais sans le critère limitant la sélection aux étoiles avec une faible extinction. Les parties inférieures des deux diagrammes, où sont représentées les étoiles intrinsèquement les plus faibles et donc les plus proches, sont très similaires : elles montrent, dans les deux cas, un bas de la séquence principale bien défini, avec la séquence des étoiles binaires non résolues parallèle à la séquence principale et un peu au-dessus. Par contre, les parties supérieures des deux graphiques sont très différentes : celle de la Figure 2 contient plus d’étoiles mais on y voit clairement l’influence de l’extinction qui disperse ces étoiles plus lointaines, subissant des extinctions variables selon leur position dans le ciel. Sur la Figure 1, les séquences sont mieux définies, et la branche des géantes rouges montre diverses sous-structures invisibles à droite.

Figure 3 : Zoom sur la région du Red Clump du diagramme de la Figure 1. En bleu, à gauche, le Red Clump secondaire (SRC=Secondary Red Clump). En rouge, à droite : la Bosse de la Branche des géantes (RGBB=Red Giant Branch Bump). La ligne jaune montre la calibration obtenue pour la magnitude absolue Gaia en fonction de la couleur.

La Figure 3, qui montre un zoom sur cette région, permet d’identifier ces différentes sous-structures. Tout d’abord, le Red Clump lui-même, avec une ligne jaune qui montre la calibration obtenue par Ruiz-Dern et al. 2017 pour la magnitude absolue Gaia en fonction de la couleur. Décalé vers le bleu et plus faible, se trouve le Red Clump secondaire (en bleu). Plus faible aussi, entourée de rouge, la Bosse de la Branche des géantes (Red Giant Branch Bump) s’étend du côté rouge. Ces deux structures sont typiques d’une population jeune et riche en métaux.

Crédits : ESA/Gaia/DPAC, L. Ruiz-Dern, C. Babusiaux, F. Arenou, C. Turon, R. Lallement (GEPI, Observatoire de Paris)

Voir plus de détails en anglais sur la Gaia Image of the Week du 20 octobre 2017.