Elliptical dust growth in astrophysical plasmas

Elongated dust grains exist in astrophysical plasmas. Anisotropic growth of elliptical dust grains, via plasma deposition, occurs if the deposited ions are non-inertial. In reality the extent of such growth depends upon the initial kinetic energy of the ions and the magnitude of the electric field in the sheath. Simulations of the dynamics of the ions in the sheath are reported, showing how elliptical growth is related to the initial eccentricity and size of the seed relative to the sheath length. Consequences for the eventual fate of elliptical dust are then discussed.

Inhomogeneous cloud coverage through the Coulomb explosion of dust in substellar atmospheres

Context. Recent observations of brown dwarf spectroscopic variability in the infrared infer the presence of patchy cloud cover. Aims. This paper proposes a mechanism for producing inhomogeneous cloud coverage due to the depletion of cloud particles through the Coulomb explosion of dust in atmospheric plasma regions. Charged dust grains Coulomb-explode when the electrostatic stress of the grain exceeds its mechanical tensile stress, which results in grains below a critical radius a < a Coul crit being broken up. Methods. This work outlines the criteria required for the Coulomb explosion of dust clouds in substellar atmospheres, the effect on the dust particle size distribution function, and the resulting radiative properties of the atmospheric regions. Results. Our results show that for an atmospheric plasma region with an electron temperature of Te = 10 eV (≈105 K), the critical grain radius varies from 10−7 to 10−4 cm, depending on the grains’ tensile strength. Higher critical radii up to 10−3 cm are attainable for higher electron temperatures. We find that the process produces a bimodal particle size distribution composed of stable nanoscale seed particles and dust particles with a ≥ a Coul crit , with the intervening particle sizes defining a region devoid of dust. As a result, the dust population is depleted, and the clouds become optically thin in the wavelength range 0.1–10 μm, with a characteristic peak that shifts to higher wavelengths as more sub-micrometer particles are destroyed. Conclusions. In an atmosphere populated with a distribution of plasma volumes, this will yield regions of contrasting radiative properties, thereby giving a source of inhomogeneous cloud coverage. The results presented here may also be relevant for dust in supernova remnants and protoplanetary disks.

Exploitation du potentiel sismique des étoiles naines blanches

Le but de cette thèse est d’explorer le potentiel sismique des étoiles naines blanches pulsantes, et en particulier celles à atmosphères riches en hydrogène, les étoiles ZZ Ceti. La technique d’astérosismologie exploite l’information contenue dans les modes normaux de vibration qui peuvent être excités lors de phases particulières de l’évolution d’une étoile. Ces modes modulent le flux émergent de l’étoile pulsante et se manifestent principalement en termes de variations lumineuses multi-périodiques. L’astérosismologie consiste donc à examiner la luminosité d’étoiles pulsantes en fonction du temps, afin d’en extraire les périodes, les amplitudes apparentes, ainsi que les phases relatives des modes de pulsation détectés, en utilisant des méthodes standards de traitement de signal, telles que des techniques de Fourier. L’étape suivante consiste à comparer les périodes de pulsation observées avec des périodes générées par un modèle stellaire en cherchant l’accord optimal avec un modèle physique reconstituant le plus fidèlement possible l’étoile pulsante. Afin d’assurer une recherche optimale dans l’espace des paramètres, il est nécessaire d’avoir de bons modèles physiques, un algorithme d’optimisation de comparaison de périodes efficace, et une puissance de calcul considérable. Les périodes des modes de pulsation de modèles stellaires de naines blanches peuvent être généralement calculées de manière précise et fiable sur la base de la théorie linéaire des pulsations stellaires dans sa version adiabatique. Afin de définir dans son ensemble un modèle statique de naine blanche propre à l’analyse astérosismologique, il est nécessaire de spécifier la gravité de surface, la température effective, ainsi que différents paramètres décrivant la disposition en couche de l’enveloppe. En utilisant parallèlement les informations obtenues de manière indépendante (température effective et gravité de surface) par la méthode spectroscopique, il devient possible de vérifier la validité de la solution obtenue et de restreindre de manière remarquable l’espace des paramètres. L’exercice astérosismologique, s’il est réussi, mène donc à la détermination précise des paramètres de la structure globale de l’étoile pulsante et fournit de l’information unique sur sa structure interne et l’état de sa phase évolutive. On présente dans cette thèse l’analyse complète réussie, de l’extraction des fréquences à la solution sismique, de quatre étoiles naines blanches pulsantes. Il a été possible de déterminer les paramètres structuraux de ces étoiles et de les comparer remarquablement à toutes les contraintes indépendantes disponibles dans la littérature, mais aussi d’inférer sur la dynamique interne et de reconstruire le profil de rotation interne. Dans un premier temps, on analyse le duo d’étoiles ZZ Ceti, GD 165 et Ross 548, afin de comprendre les différences entre leurs propriétés de pulsation, malgré le fait qu’elles soient des étoiles similaires en tout point, spectroscopiquement parlant. L’analyse sismique révèle des structures internes différentes, et dévoile la sensibilité de certains modes de pulsation à la composition interne du noyau de l’étoile. Afin de palier à cette sensibilité, nouvellement découverte, et de rivaliser avec les données de qualité exceptionnelle que nous fournissent les missions spatiales Kepler et Kepler2, on développe une nouvelle paramétrisation des profils chimiques dans le coeur, et on valide la robustesse de notre technique et de nos modèles par de nombreux tests. Avec en main la nouvelle paramétrisation du noyau, on décroche enfin le ”Saint Graal” de l’astérosismologie, en étant capable de reproduire pour la première fois les périodes observées à la précision des observations, dans le cas de l’étude sismique des étoiles KIC 08626021 et de GD 1212.

Critical core mass for enriched envelopes: the role of H2O condensation

Context. Within the core accretion scenario of planetary formation, most simulations performed so far always assume the accreting envelope to have a solar composition. From the study of meteorite showers on Earth and numerical simulations, we know that planetesimals must undergo thermal ablation and disruption when crossing a protoplanetary envelope. Thus, once the protoplanet has acquired an atmosphere, not all planetesimals reach the core intact, i.e. the primordial envelope (mainly H and He) gets enriched in volatiles and silicates from the planetesimals. This change of envelope composition during the formation can have a significant effect on the final atmospheric composition and on the formation timescale of giant planets. Aims. We investigate the physical implications of considering the envelope enrichment of protoplanets due to the disruption of icy planetesimals during their way to the core. Particular focus is placed on the effect on the critical core mass for envelopes where condensation of water can occur. Methods. Internal structure models are numerically solved with the implementation of updated opacities for all ranges of metallicities and the software Chemical Equilibrium with Applications to compute the equation of state. This package computes the chemical equilibrium for an arbitrary mixture of gases and allows the condensation of some species, including water. This means that the latent heat of phase transitions is consistently incorporated in the total energy budget. Results. The critical core mass is found to decrease significantly when an enriched envelope composition is considered in the internal structure equations. A particularly strong reduction of the critical core mass is obtained for planets whose envelope metallicity is larger than Z approximate to 0.45 when the outer boundary conditions are suitable for condensation of water to occur in the top layers of the atmosphere. We show that this effect is qualitatively preserved even when the atmosphere is out of chemical equilibrium. Conclusions. Our results indicate that the effect of water condensation in the envelope of protoplanets can severely affect the critical core mass, and should be considered in future studies.

Détection et caractérisation de nouveaux disques circumstellaires autour d’étoiles de faibles masses et naines brunes jeunes.

La présence de disques circumstellaires signale la formation actuelle ou passée de systèmes planétaires, pour lesquels les processus de formation sont encore mal compris. Ce mémoire porte sur la détection et la caractérisation de disques circumstellaires autour d’étoiles de faibles masses (types spectraux > K5) et de naines brunes qui sont candidates ou membres d’associations cinématiques jeunes. Nous présentons ici les résultats de cette recherche ainsi que son implication pour la compréhension des processus de formation et d’évolution des systèmes planétaires. De l’échantillon initial composé de ∼ 1600 objets provenant des relevés BANYAN de Malo et al. ainsi que Gagné et al., dont seulement 600 satisfont nos critères de qualité sur les données, quatre nouveaux candidats de disque ont été découverts en détectant leur excès d’émission infrarouge dans les données d’archive de la mission WISE. Les données du relevé 2MASS ainsi que les spectres synthétiques BT-Settl ont été conjointement utilisés pour modéliser l’émission des étoiles. Les nouveaux candidats, dont les types spectraux sont tardifs (M4.5 à L0) et les masses se situent entre ∼ 13 et 120 M_Jup, ont des températures de disque de ∼ 135–520 K et des luminosités fractionnaires de 0,021–0,15. Pour deux des cibles, nous avons obtenu des spectres dans les longueurs d’onde visibles et infrarouges proches. Ces nouveaux spectres montrent respectivement des signes d’émission en Hα et Paβ, indiquant la présence d’accrétion, et ainsi de gaz, et renforçant l’hypothèse que ces objets sont réellement jeunes. Ces deux objets, vraisemblablement âgés de 40 Ma, pourraient représenter la première détection et caractérisation de disques porteurs de gaz plus vieux que 20 Ma.

Recherche et analyse d'étoiles naines blanches chimiquement stratiées dans le Sloan Digital Sky Survey

Ce mémoire présente une recherche détaillée et une analyse des étoiles naines blanches hybrides chimiquement stratifiées dans le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Une seule étoile stratifiée, PG 1305-017, était connue avant notre recherche. L'objectif principal est de confirmer l'existence de plusieurs nouvelles étoiles stratifiées. Pour ce faire, il a fallu dans un premier temps développer une nouvelle génération de modèles d'atmosphère à partir de ceux de Bergeron et al. (1991) et Tremblay & Bergeron (2009). Nous y avons ajouté l'opacité de toutes les raies d'hélium et les calculs nécessaires pour tenir compte de la stratification chimique de l'atmosphère, où une mince quantité d’hydrogène flotte en équilibre diffusif au-dessus d’une enveloppe massive d’hélium. En parallèle, nous avons aussi calculé des modèles standards, chimiquement homogènes. Ensuite, nous avons sélectionné des naines blanches chaudes (Teff > 30,000 K) de type spectral hybride (traces d'hélium et d'hydrogène) parmi les ~38,000 naines blanches répertoriées dans le SDSS. Un total de 52 spectres d'étoile a été retenu dans notre échantillon final. La technique spectroscopique, c'est-à-dire l'ajustement des raies spectrales des modèles sur un spectre observé, a été appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon. Nous avons ainsi mesuré la température effective, la gravité de surface et la composition chimique de l'atmosphère de ces étoiles. Par l'ajustement simultané de modèles stratifiés et homogènes, nous avons aussi pu déterminer si les étoiles étaient stratifiées ou non. Nous identifions ainsi 14 naines blanches stratifiées. Nous tirons de ces résultats plusieurs conclusions sur les processus physiques expliquant la présence d'hélium dans l'atmosphère.

Détection et caractérisation de nouveaux disques circumstellaires autour d’étoiles de faibles masses et naines brunes jeunes

La présence de disques circumstellaires signale la formation actuelle ou passée de systèmes planétaires, pour lesquels les processus de formation sont encore mal compris. Ce mémoire porte sur la détection et la caractérisation de disques circumstellaires autour d’étoiles de faibles masses (types spectraux > K5) et de naines brunes qui sont candidates ou membres d’associations cinématiques jeunes. Nous présentons ici les résultats de cette recherche ainsi que son implication pour la compréhension des processus de formation et d’évolution des systèmes planétaires. De l’échantillon initial composé de ∼ 1600 objets provenant des relevés BANYAN de Malo et al. ainsi que Gagné et al., dont seulement 600 satisfont nos critères de qualité sur les données, quatre nouveaux candidats de disque ont été découverts en détectant leur excès d’émission infrarouge dans les données d’archive de la mission WISE. Les données du relevé 2MASS ainsi que les spectres synthétiques BT-Settl ont été conjointement utilisés pour modéliser l’émission des étoiles. Les nouveaux candidats, dont les types spectraux sont tardifs (M4.5 à L0) et les masses se situent entre ∼ 13 et 120 M_Jup, ont des températures de disque de ∼ 135–520 K et des luminosités fractionnaires de 0,021–0,15. Pour deux des cibles, nous avons obtenu des spectres dans les longueurs d’onde visibles et infrarouges proches. Ces nouveaux spectres montrent respectivement des signes d’émission en Hα et Paβ, indiquant la présence d’accrétion, et ainsi de gaz, et renforçant l’hypothèse que ces objets sont réellement jeunes. Ces deux objets, vraisemblablement âgés de 40 Ma, pourraient représenter la première détection et caractérisation de disques porteurs de gaz plus vieux que 20 Ma.

Recherche et analyse d'étoiles naines blanches chimiquement stratiées dans le Sloan Digital Sky Survey

Ce mémoire présente une recherche détaillée et une analyse des étoiles naines blanches hybrides chimiquement stratifiées dans le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Une seule étoile stratifiée, PG 1305-017, était connue avant notre recherche. L'objectif principal est de confirmer l'existence de plusieurs nouvelles étoiles stratifiées. Pour ce faire, il a fallu dans un premier temps développer une nouvelle génération de modèles d'atmosphère à partir de ceux de Bergeron et al. (1991) et Tremblay & Bergeron (2009). Nous y avons ajouté l'opacité de toutes les raies d'hélium et les calculs nécessaires pour tenir compte de la stratification chimique de l'atmosphère, où une mince quantité d’hydrogène flotte en équilibre diffusif au-dessus d’une enveloppe massive d’hélium. En parallèle, nous avons aussi calculé des modèles standards, chimiquement homogènes. Ensuite, nous avons sélectionné des naines blanches chaudes (Teff > 30,000 K) de type spectral hybride (traces d'hélium et d'hydrogène) parmi les ~38,000 naines blanches répertoriées dans le SDSS. Un total de 52 spectres d'étoile a été retenu dans notre échantillon final. La technique spectroscopique, c'est-à-dire l'ajustement des raies spectrales des modèles sur un spectre observé, a été appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon. Nous avons ainsi mesuré la température effective, la gravité de surface et la composition chimique de l'atmosphère de ces étoiles. Par l'ajustement simultané de modèles stratifiés et homogènes, nous avons aussi pu déterminer si les étoiles étaient stratifiées ou non. Nous identifions ainsi 14 naines blanches stratifiées. Nous tirons de ces résultats plusieurs conclusions sur les processus physiques expliquant la présence d'hélium dans l'atmosphère.

The IUE INES System: Improved data extraction procedures for IUE

We present the extraction and processing of the IUE Low Dispersion spectra within the framework of the ESA “IUE Newly Extracted Spectra” (INES) System. Weak points of SWET, the optimal extraction implementation to produce the NEWSIPS output products (extracted spectra) are discussed, and the procedures implemented in INES to solve these problems are outlined. The more relevant modifications are: 1) the use of a new noise model, 2) a more accurate representation of the spatial profile of the spectrum and 3) a more reliable determination of the background. The INES extraction also includes a correction for the contamination by solar light in long wavelength spectra. Examples showing the improvements obtained in INES with respect to SWET are described. Finally, the linearity and repeatability characteristics of INES data are evaluated and the validity of the errors provided in the extraction is discussed.

Multidata inverse problems and Bayesian solution methods in astronomy

Statistical analyses of measurements that can be described by statistical models are of essence in astronomy and in scientific inquiry in general. The sensitivity of such analyses, modelling approaches, and the consequent predictions, is sometimes highly dependent on the exact techniques applied, and improvements therein can result in significantly better understanding of the observed system of interest. Particularly, optimising the sensitivity of statistical techniques in detecting the faint signatures of low-mass planets orbiting the nearby stars is, together with improvements in instrumentation, essential in estimating the properties of the population of such planets, and in the race to detect Earth-analogs, i.e. planets that could support liquid water and, perhaps, life on their surfaces. We review the developments in Bayesian statistical techniques applicable to detections planets orbiting nearby stars and astronomical data analysis problems in general. We also discuss these techniques and demonstrate their usefulness by using various examples and detailed descriptions of the respective mathematics involved. We demonstrate the practical aspects of Bayesian statistical techniques by describing several algorithms and numerical techniques, as well as theoretical constructions, in the estimation of model parameters and in hypothesis testing. We also apply these algorithms to Doppler measurements of nearby stars to show how they can be used in practice to obtain as much information from the noisy data as possible. Bayesian statistical techniques are powerful tools in analysing and interpreting noisy data and should be preferred in practice whenever computational limitations are not too restrictive.

Treatise on mathematics and astronomy: written about the year 1680, in Boston

Bound volume containing a late 17th century handwritten mathematical and astronomical text in one hand. The text is separated into mathematical and astronomical sections with rules, instructions for performing calculations, tables, and drawings. The subjects include arithmetic, geometry, astronomy, and trigonometry, and segments have titles such as "Subtraction," "A decimal table of English coince," "Logarithes & their use," and "To find the true place of the sun." The text is undated and unattributed but references Briggs, Oughtred, Ramus, and Apollonius. Certain tables are calculated from latitudinal and longitudinal numbers associated with Boston, and many of the examples use dates in the 1670s and 1680. The manuscript pages are mounted onto unruled pages, and some of the manuscript pages are fragments.

The works of James Ferguson, F.R.S., comprising Astronomy, explained upon Sir Isaac Newton's principles; Lectures on select subjects; and Essays and treatises.

"A short account of the life of the author, written by himself": v. 3, p. [v]-xxii.

Using a blog to create and support a Community of Inquiry in Secondary Education

Understanding how blogs can support collaborative learning is a vital concern for researchers and teachers. This paper explores how blogs may be used to support Secondary Education students’ collaborative interaction and how such an interaction process can promote the creation of a Community of Inquiry to enhance critical thinking and meaningful learning. We designed, implemented and evaluated a science case-based project in which fifteen secondary students participated. Students worked in the science blogging project during 4 months. We asked students to be collaboratively engaged in purposeful critical discourse and reflection in their blogs in order to solve collectively science challenges and construct meaning about topics related to Astronomy and Space Sciences. Through student comments posted in the blog, our findings showed that the blog environment afforded the construction of a Community of Inquiry and therefore the creation of an effective online collaborative learning community. In student blog comments, the three presences for collaborative learning took place: cognitive, social, and teaching presence. Moreover, our research found a positive correlation among the three presences –cognitive, social and teaching– of the Community of Inquiry model with the level of learning obtained by the students. We discuss a series of issues that instructors should consider when blogs are incorporated into teaching and learning. We claim that embedded scaffolds to help students to argue and reason their comments in the blog are required to foster blog-supported collaborative learning.

EVN+MERLIN observations of microquasar candidates at low galactic latitudes

In an attempt to increase the number of known microquasars, Paredes et al. (2002) have presented a long-term project focused on the search for new objects of this type. They performed a cross-identification between X-ray and radio catalogs under very restrictive selection criteria for sources with |b|<5 degrees, and obtained a sample of 13 radio-emitting X-ray sources. Follow-up observations of 6 of these sources with the VLA provided accurate coordinates, which were used to discover optical counterparts for all of them. We have observed these six sources with the EVN and MERLIN at 5 GHz. Five of the six objects have been detected and imaged, presenting different morphologies: one source has a two-sided jet, three sources have one-sided jets, and one source is compact. With all the presently available information, we conclude that two of the sources are promising microquasar candidates in our Galaxy.

The Inner Meaning of Outer Space: Human Nature and the Celestial Realm

Kant argued that humans possess a priori knowledge of space; although his argument focused on a physics of bodies, it also has implications for a psychology of beings. Many human cultures organize stars in the night sky into constellations (i.e., impose structure); attribute properties, behaviors, and abilities to objects in the celestial realm (i.e., impose meaning); and use perceived regularity in the celestial realms in development of calendars, long-range navigation, agriculture, and astrology (i.e., seek predictability and control). The physical inaccessibility of the celestial realm allows a potent source of metaphor, and also allows projection of myths regarding origin and ascension, places of power, and dwelling places of gods, immortals, and other souls. Developments in astronomy and cosmology influenced views of human nature and the place of humanity in the universe, and these changes parallel declines in egocentrism with human development. Views regarding alleged beings (e.g., angels, extraterrestrials) from the celestial realm (and to how communicate with such beings) are anthropocentric and ignore evolutionary factors in physical and cognitive development. It is suggested that in considering views and uses of the celestial realm, we learn not just about the universe, but also about ourselves.