Jared Bryan, étudiant en cinquième année de doctorat au MIT, parle de ses recherches en sismologie avec une aisance naturelle. Sous la supervision du professeur adjoint William Frank, il utilise des observations GPS, des données satellites et des informations provenant de stations sismiques pour explorer la physique des tremblements de terre. Son intérêt pour ce domaine a débuté lors de stages d’été au Southern California Earthquake Center pendant ses études de premier cycle.
« C’est vraiment une sorte de sismologie plus terre-à-terre », plaisante-t-il. Une remarque ironique, car où d’autre les tremblements de terre pourraient-ils se produire si ce n’est sur Terre ? Cependant, Bryan vient de publier un nouvel article dans Astronomie naturelle qui traite de l’activité sismique non pas sur Terre, mais sur les étoiles.
Développer la curiosité
Les doctorants du Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes (EAPS) du MIT doivent réaliser deux projets de recherche dans le cadre de leur examen général. Le premier projet est souvent lié à leur domaine principal de recherche et constitue la base de leur thèse. Le deuxième projet, cependant, doit être dans une spécialité différente.
« Avoir cela intégré à la structure du doctorat est vraiment très agréable », explique Bryan, qui ignorait cette exigence particulière lorsqu’il a rejoint l’EAPS. « Cela vous aide à développer votre curiosité et à découvrir ce qui est intéressant dans ce que font les autres. »
La diversité des domaines d’études au sein du département permet aux étudiants curieux d’explorer les interactions interconnectées des sciences de la Terre.
« Tout le monde ici est enthousiasmé par beaucoup de choses différentes, mais nous ne pouvons pas tout faire », déclare Frank, professeur de développement de carrière Victor P. Starr en géophysique. « C’est une excellente façon d’amener les étudiants à essayer autre chose qu’ils auraient peut-être voulu faire dans une dimension parallèle, à interagir avec d’autres conseillers et à voir que la science peut être pratiquée de différentes manières. »
Initialement, Bryan craignait que le deuxième projet ne soit une distraction restrictive de ses recherches principales. Cependant, le professeur agrégé Julien de Wit recherchait quelqu’un ayant une formation en sismologie pour analyser certaines observations stellaires recueillies en 2016. La luminosité d’une étoile pulsait à une fréquence très spécifique, ce qui devait être causé par des changements dans l’étoile elle-même. Bryan a donc décidé d’aider.
« J’ai été surpris de voir à quel point le type de sismologie qu’il recherchait était similaire à celle que nous faisions pour la première fois dans les années 60 et 70, comme la sismologie mondiale à grande échelle », explique Bryan. « Je pensais que ce serait une façon de repenser les fondements du domaine que j’étudiais en les appliquant à une nouvelle région. »
Passer des tremblements de terre aux tremblements d’étoiles n’est pas une comparaison directe. Bien que les connaissances fondamentales existent, le mouvement des étoiles provient de diverses sources comme le magnétisme ou l’effet Coriolis, et sous diverses formes. En plus des ondes sonores et de pression des tremblements de terre, elles produisent également des ondes de gravité, toutes à une échelle beaucoup plus massive.
« Il faut se dégourdir un peu l’esprit, car on ne peut pas réellement visiter ces endroits », explique Bryan. « C’est un luxe incroyable que nous avons en sismologie terrestre que les choses que nous étudions soient sur Google Maps. »
Mais il y a des avantages à faire appel à des scientifiques extérieurs à un domaine d’expertise. De Wit, le superviseur de Bryan pour le projet et co-auteur de l’article, souligne qu’ils apportent une nouvelle perspective et une nouvelle approche en posant des questions uniques.
« Ce que les gens sur le terrain tiennent pour acquis est remis en question par leurs questions », dit-il, ajoutant que Bryan était transparent sur ce qu’il savait et ce qu’il ne savait pas, permettant ainsi un riche échange d’informations.
Verrouillage par résonance de marée
Bryan a finalement découvert que les changements dans la luminosité de l’étoile étaient causés par la résonance des marées. La résonance est un phénomène physique où les ondes interagissent et s’amplifient les unes les autres. L’analogie la plus courante consiste à pousser quelqu’un sur une balançoire ; lorsque la personne qui pousse le fait au bon moment, cela aide la personne sur la balançoire à monter plus haut.
« La résonance de marée est l’endroit où vous poussez exactement à la même fréquence qu’ils oscillent, et le verrouillage se produit lorsque ces deux fréquences changent », explique Bryan. La personne qui pousse la balançoire se fatigue et pousse moins souvent, tandis que la chaîne de la balançoire change de longueur. (Bryan plaisante en disant qu’ici, l’analogie commence à s’effondrer.)
À mesure qu’une étoile change au cours de sa vie, le verrouillage de la résonance des marées peut amener les Jupiters chauds, des exoplanètes massives en orbite très proche de leurs étoiles hôtes, à modifier leurs distances orbitales. Cette migration errante explique comment certains Jupiters chauds se rapprochent si près de leurs étoiles hôtes. Ils ont également constaté que le chemin qu’ils empruntent pour y arriver n’est pas toujours linéaire. Il peut s’accélérer, ralentir, voire régresser.
Une implication importante de l’article est que le verrouillage de la résonance des marées pourrait être utilisé comme outil de détection d’exoplanètes, confirmant l’hypothèse de de Wit issue de l’observation originale de 2016 selon laquelle les pulsations avaient le potentiel d’être utilisées de cette manière. Si les changements dans la luminosité de l’étoile peuvent être liés à ce verrouillage de résonance, cela pourrait indiquer des planètes qui ne peuvent pas être détectées avec les méthodes actuelles.
Comme ci-dessous, comme ci-dessus
La plupart des doctorants de l’EAPS ne poursuivent pas leur deuxième projet au-delà des exigences de l’examen général, et encore moins n’en tirent un article. Au début, Bryan craignait que continuer dans cette voie ne soit une distraction de son travail principal, mais il est finalement heureux de s’y être engagé et d’avoir pu apporter quelque chose de significatif au domaine émergent de l’astérosismologie.
« Je pense que cela prouve que Jared est enthousiasmé par ce qu’il fait et qu’il a le dynamisme et le scepticisme scientifique nécessaires pour avoir pris les mesures supplémentaires nécessaires pour s’assurer que ce qu’il faisait était une réelle contribution à la littérature scientifique », déclare Frank. « C’est un excellent exemple de réussite et ce que nous espérons pour nos étudiants. »
Même si de Wit n’a pas réussi à convaincre Bryan de se consacrer définitivement à la recherche sur les exoplanètes, il est « ravi d’avoir la possibilité de continuer à travailler ensemble ».
Une fois son doctorat terminé, Bryan envisage de poursuivre ses études universitaires en tant que professeur dirigeant un laboratoire de recherche, en se concentrant sur la sismologie volcanique et en améliorant l’instrumentation pour ce domaine. Il est ouvert à la possibilité d’appliquer ses découvertes sur Terre à des volcans situés sur d’autres corps planétaires, tels que ceux trouvés sur Vénus et sur la lune Io de Jupiter.
« J’aimerais être le pont entre ces deux choses », dit-il.
