Caractérisation globale des étoiles de type solaire et magnétisme interne le long de leur évolution : Intelligence artificielle en support de l'astérosismologie et nouvelles contraintes théoriques pour les champs magnétiques internes

Previous space missions CoRoT and Kepler, current mission TESS, and mission in preparation PLATO allow the observation of millions of stars. In this thesis, we are particularly interested in red giants (evolved solar-type stars). One of the legacy results of the Kepler mission is the interestingly low rotation rate of the core of subgiant (SG) and red giant (RG) stars, which is about 10 times lower than predicted with the current theory for the transport of angular momentum by purely hydrodynamical mechanisms. This discrepancy points out an order of magnitude issue concerning the understanding of the evolution of the stellar angular momentum in evolved Solar-like stars, a very ubiquitous problem shared by stars of all types and ages. In this context, high-precision in the observables (such as surface gravity) is needed for stellar models results to be reliable. High-precision asteroseismology is a key player because it provides us with global stellar parameters with unprecedented precision and accuracy. However, asteroseismology is only efficient for stars that present a good signal-to-noise ratio with visible oscillation modes in their power spectrum density. By combining classical asteroseismology and innovative tools such as machine learning, we first focus on the better characterisation of the surface gravity for solar-type pulsators, including those that do not present detectable oscillations in their spectra. With Random Forest machine learning algorithms, solar-type stars observed by Kepler and TESS are classified among the different type of pulsating stars, and surface gravities of solar-type pulsators observed by Kepler ranging from 0.1 to 4.6 dex are estimated directly from the global power of the granulation with very small uncertainties of 0.04 to 0.1 dex. With the sample of well-characterised evolved Solar-like stars it will then be possible to conduct precise asteroseismic analyses to improve our understanding of angular momentum transport along the stellar evolution. To lead this work, we first theoretically seek for a missing process taking place inside the core of RG stars to efficiently extract angular momentum from the core to the surface. Internal magnetic fields are one amongst the most serious candidates that are currently studied to solve the problem. Stars more massive than ~1.1 Ms are known to develop a convective core during the main-sequence: the dynamo process due to this convection could be the origin of a strong magnetic field, trapped inside the core of the star for the rest of its evolution. Such magnetic fields should impact mixed modes inside the core of RG stars, and their signature should be visible in asteroseismic data. To unravel which constraints can be obtained from these observations, we theoretically investigate the effects of a plausible mixed axisymmetric magnetic field with various amplitudes on the mixed-mode frequencies of red giants. Applying a perturbative method, we estimate the magnetic splitting of the frequencies of simulated mixed dipolar modes that depends on the magnetic field strength and its configuration. A complete asymptotic analysis is derived, showing the potential of asteroseismology to probe the magnetism at each depth as this is done for stellar rotation. The effects of the mass and the metallicity of the stars are also explored. Finally, we infer an upper limit for the strength of the field and the associated lower limit for the timescale of its action to redistribute angular momentum in stellar interiors.Les missions spatiales passées CoRoT et Kepler, actuellement en vol TESS, et en préparation PLATO permettent l'observation de millions d'étoiles. Dans cette thèse, nous nous intéressons en particulier aux géantes rouges (étoiles de type solaire évoluées). Grâce aux missions spatiales précédemment citées, il a été observé que le cœur de ces étoiles tourne environ dix fois plus rapidement que leur surface. Cependant, les modèles numériques d'évolution stellaire actuels prédisent une rotation beaucoup plus rapide: le cœur devrait tourner environ cent fois plus vite que la surface de l'étoile. Nous devons donc identifier le ou les mécanismes permettant d'évacuer efficacement le moment cinétique du cœur des étoiles de type solaire évoluées, une problématique qui est partagée par les étoiles de tout type pour tous les stades évolutifs. Dans ce contexte, des mesures très précises des paramètres stellaires globaux (comme la gravité de surface ou la masse) sont nécessaires pour contraindre au mieux les modèles d'évolution stellaires. L'étude des modes propres d'oscillation des étoiles (astérosismologie) joue un rôle clé car cette méthode permet l'estimation des paramètres stellaires avec une excellente précision. En revanche, cette précision n'est obtenue que lorsque les données sont peu bruitées et dans lesquelles les signaux des oscillations des étoiles sont bien visibles. En combinant les techniques classiques d'analyse photométrique et des algorithmes d'intelligence artificielle, nous obtenons dans le premier volet de cette thèse une meilleure estimation de la gravité de surface des étoiles de type solaire. Nous apportons en particulier des estimations précises de la gravité de surface lorsque l'astérosismologie standard atteint ses limites. Les étoiles de type solaire sont extraites de l'ensemble des données du satellite Kepler par un premier algorithme d'intelligence artificielle, et caractérisées par un second. Nous obtenons finalement les valeurs de gravité de surface des étoiles de type solaire avec une précision de 0.04 à 0.1 dex, entre la séquence principale (fusion de l'hydrogène dans le cœur) et les phases de géantes (fusion de l'hydrogène en couche et/ou de l'hélium dans le cœur), et ce directement à partir de la densité de puissance lumineuse moyenne émise par l'étoile. Ces étoiles bien caractérisées peuvent ensuite être étudiées plus en détail pour améliorer notre compréhension du transport de moment cinétique interne dans les étoiles de type solaire le long de leur évolution. Nous recherchons ensuite d'éventuelles signatures du phénomène de transport de moment cinétique actif dans les intérieurs stellaires dans les fréquences d'oscillation des étoiles de type solaire évoluées. Les champs magnétiques font partie des candidats les plus prometteurs pour expliquer le transport efficace observé. Les étoiles de masse intermédiaire (entre 1.1 et 3 masses solaires) sont connues pour développer un cœur convectif durant la séquence principale, qui peut générer un champ magnétique dynamo, relaxant dans l'intérieur radiatif sous forme d'un champ fossile et persistant durant le reste de l'évolution de l'étoile. Un tel champ magnétique devrait affecter les fréquences des modes d'oscillation mixtes acoustiques et de gravité des étoiles de masse intermédiaire évoluées étudiées dans cette thèse. Nous développons théoriquement la signature d'une telle configuration réaliste de champ magnétique fossile sur les fréquences des oscillations, en fonction de la masse, de la métallicité et de l'âge de l'étoile. Nous dérivons également une étude asymptotique complète, rendant possible l'inversion des données astérosismiques pour l'estimation des amplitudes des champs magnétiques internes. Nous estimons finalement l'efficacité d'un tel champ magnétique pour transporter le moment cinétique à l'intérieur des étoiles de type solaire