Modèles d'atmosphères hors-ETL avec métaux : applications aux étoiles sous-naines chaudes

Avec la mise en place dans les dernières années d'une grappe d'ordinateurs (CALYS) dédiés aux calculs de modèles stellaires pour notre groupe de recherche, il nous est désormais possible d'exploiter à leur plein potentiel les modèles d'atmosphères hors équilibre thermodynamique local (HETL) en y incluant des éléments métalliques. Ce type de modèles, plutôt exigeant en temps de calcul, est toutefois essentiel pour analyser correctement les spectres d'étoiles chaudes comme les sous-naines de type O (sdO). Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ont comme point commun l'utilisation de tels modèles d'atmosphères pour faire l'analyse spectroscopique d'étoiles sous-naines chaudes dans des contextes variés. Le coeur de cette thèse porte sur Bd+28 4211, une étoile standard de type sdO très chaude, dans laquelle le problème des raies de Balmer, qui empêche de reproduire ces dernières avec une unique, et réaliste, combinaison de paramètres atmosphériques, est bien présent. Dans un premier temps nous présentons une analyse approfondie de son spectre ultraviolet (UV). Cela nous permet de déterminer les abondances de métaux dans l'atmosphère de l'étoile et de contraindre sa température effective et sa gravité de surface. Par la suite, ces résultats servent de point de départ à l'analyse du spectre optique de l'étoile, dans lequel le problème des raies de Balmer se fait sentir. Cette analyse nous permet de conclure que l'inclusion des abondances métalliques propres à l'étoile dans les modèles d'atmosphères HETL n'est pas suffisant pour surmonter le problème des raies de Balmer. Toutefois, en y incluant des abondances dix fois solaires, nous arrivons à reproduire correctement les raies de Balmer et d'hélium présentes dans les spectres visibles lors d'un ajustement de paramètres. De plus, les paramètres résultants concordent avec ceux indiqués par le spectre UV. Nous concluons que des sources d'opacité encore inconnues ou mal modélisées sont à la source de ce problème endémique aux étoiles chaudes. Par la suite nous faisons une étude spectroscopique de Feige 48, une étoile de type sdB pulsante particulièrement importante. Nous arrivons à reproduire très bien le spectre visible de cette étoile, incluant les nombreuses raies métalliques qui s'y trouvent. Les paramètres fondamentaux obtenus pour Feige 48 corroborent ceux déjà présents dans la littérature, qui ont été obtenus avec des types de modèles d'atmosphères moins sophistiqués, ce qui implique que les effets HETL couplés à la présence de métaux ne sont pas importants dans l'atmosphère de cette étoile particulière. Nous pouvons donc affirmer que les paramètres de cette étoile sont fiables et peuvent servir de base à une future étude astérosismologique quantitative. Finalement, 38 étoiles sous-naines chaudes appartenant à l'amas globulaire omega Centauri ont été analysées afin de déterminer, outre leur température et gravité de surface, leurs abondances d'hélium et de carbone. Nous montrons qu'il existe une corrélation entre les abondances photosphériques de ces deux éléments. Nous trouvons aussi des différences entre les étoiles riches en hélium de l'amas du celles du champ. Dans leur ensemble, nos résultats remettent en question notre compréhension du mécanisme de formation des sous-naines riches en hélium.

Étude comparative des paramètres atmosphériques d'étoiles naines blanches déterminés par les techniques photométrique et spectroscopique

Ce mémoire présente une analyse comparative des paramètres atmosphériques obtenus à l’aide des techniques photométrique et spectroscopique. Pour y parvenir, les données photométriques et spectroscopiques de 1375 naines blanches de type DA tirées du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ainsi que les données spectroscopiques du Villanova White Dwarf Catalog ont été utilisées. Il a d’abord fallu s’assurer que les données photométriques et spectroscopiques étaient bien calibrées. L’analyse photométrique a démontré que la photométrie ugriz ne semblait pas avoir de problème de calibration autre que le décalage des points zéro, qui est compensé en appliquant les corrections photométriques appropriées. De plus, le fait que le filtre u laisse passer le flux à certaines longueurs d’onde dans le rouge ne semble pas affecter la détermination des paramètres atmosphériques. L’analyse spectroscopique a ensuite confirmé que l’application de fonctions de correction permettant de tenir compte des effets hydrodynamiques 3D est la solution au problème de log g élevés. La comparaison des informations tirées des données spectroscopiques des deux différentes sources suggère que la calibration des spectres du SDSS n’est toujours pas au point. Les paramètres atmosphériques déterminés à l’aide des deux techniques ont ensuite été comparés et les températures photométriques sont systématiquement plus faibles que celles obtenues à partir des données spectroscopiques. Cet effet systématique pourrait être causé par les profils de raies utilisés dans les modèles d’atmosphère. Une méthode permettant d’obtenir une estimation de la gravité de surface d’une naine blanche à partir de sa photométrie a aussi été développée.

Relevé spectroscopique et étude des propriétés physiques des étoiles naines blanches à moins de 40 parsecs du Soleil

Les étoiles naines blanches représentent la fin de l’évolution de 97% des étoiles de notre galaxie, dont notre Soleil. L’étude des propriétés globales de ces étoiles (distribution en température, distribution de masse, fonction de luminosité, etc.) requiert l’élaboration d’ensembles statistiquement complets et bien définis. Bien que plusieurs relevés d’étoiles naines blanches existent dans la littérature, la plupart de ceux-ci souffrent de biais statistiques importants pour ce genre d’analyse. L’échantillon le plus représentatif de la population d’étoiles naines blanches demeure à ce jour celui défini dans un volume complet, restreint à l’environnement immédiat du Soleil, soit à une distance de 20 pc (∼ 65 années-lumière) de celui-ci. Malheureusement, comme les naines blanches sont des étoiles intrinsèquement peu lumineuses, cet échantillon ne contient que ∼ 130 objets, compromettant ainsi toute étude statistique significative. Le but de notre étude est de recenser la population d’étoiles naines blanches dans le voisinage solaire a une distance de 40 pc, soit un volume huit fois plus grand. Nous avons ainsi entrepris de répertorier toutes les étoiles naines blanches à moins de 40 pc du Soleil à partir de SUPERBLINK, un vaste catalogue contenant le mouvement propre et les données photométriques de plus de 2 millions d’étoiles. Notre approche est basée sur la méthode des mouvements propres réduits qui permet d’isoler les étoiles naines blanches des autres populations stellaires. Les distances de toutes les candidates naines blanches sont estimées à l’aide de relations couleur-magnitude théoriques afin d’identifier les objets se situant à moins de 40 pc du Soleil, dans l’hémisphère nord. La confirmation spectroscopique du statut de naine blanche de nos ∼ 1100 candidates a ensuite requis 15 missions d’observations astronomiques sur trois grands télescopes à Kitt Peak en Arizona, ainsi qu’une soixantaine d’heures allouées sur les télescopes de 8 m des observatoires Gemini Nord et Sud. Nous avons ainsi découvert 322 nouvelles étoiles naines blanches de plusieurs types spectraux différents, dont 173 sont à moins de 40 pc, soit une augmentation de 40% du nombre de naines blanches connues à l’intérieur de ce volume. Parmi ces nouvelles naines blanches, 4 se trouvent probablement à moins de 20 pc du Soleil. De plus, nous démontrons que notre technique est très efficace pour identifier les étoiles naines blanches dans la région peuplée du plan de la Galaxie. Nous présentons ensuite une analyse spectroscopique et photométrique détaillée de notre échantillon à l’aide de modèles d’atmosphère afin de déterminer les propriétés physiques de ces étoiles, notamment la température, la gravité de surface et la composition chimique. Notre analyse statistique de ces propriétés, basée sur un échantillon presque trois fois plus grand que celui à 20 pc, révèle que nous avons identifié avec succès les étoiles les plus massives, et donc les moins lumineuses, de cette population qui sont souvent absentes de la plupart des relevés publiés. Nous avons également identifié plusieurs naines blanches très froides, et donc potentiellement très vieilles, qui nous permettent de mieux définir le côté froid de la fonction de luminosité, et éventuellement l’âge du disque de la Galaxie. Finalement, nous avons aussi découvert plusieurs objets d’intérêt astrophysique, dont deux nouvelles étoiles naines blanches variables de type ZZ Ceti, plusieurs naines blanches magnétiques, ainsi que de nombreux systèmes binaires non résolus.

La recherche de naines brunes et étoiles de faible masse dans les associations cinématiques jeunes du voisinage solaire

L’objectif principal de cette thèse est d’identifier les étoiles de faible masse et naines brunes membres d’associations cinématiques jeunes du voisinage solaire. Ces associations sont typiquement âgées de moins de 200 millions d’années et regroupent chacune un ensemble d’étoiles s’étant formées au même moment et dans un même environnement. La majorité de leurs membres d'environ plus de 0.3 fois la masse du Soleil sont déjà connus, cependant les membres moins massifs (et moins brillants) nous échappent encore. Leur identification permettra de lever le voile sur plusieurs questions fondamentales en astrophysique. En particulier, le fait de cibler des objets jeunes, encore chauds et lumineux par leur formation récente, permettra d’atteindre un régime de masses encore peu exploré, jusqu'à seulement quelques fois la masse de Jupiter. Elles nous permettront entre autres de contraindre la fonction de masse initiale et d'explorer la connection entre naines brunes et exoplanètes, étant donné que les moins massives des naines brunes jeunes auront des propriétés physiques très semblables aux exoplanètes géantes gazeuses. Pour mener à bien ce projet, nous avons adapté l'outil statistique BANYAN I pour qu'il soit applicable aux objets de très faibles masses en plus de lui apporter plusieurs améliorations. Nous avons entre autres inclus l'utilisation de deux diagrammes couleur-magnitude permettant de différencier les étoiles de faible masse et naines brunes jeunes à celles plus vieilles, ajouté l'utilisation de probabilités a priori pour rendre les résultats plus réalistes, adapté les modèles spatiaux et cinématiques des associations jeunes en utilisant des ellipsoïdes gaussiennes tridimensionnelles dont l'alignement des axes est libre, effectué une analyse Monte Carlo pour caractériser le taux de faux-positifs et faux-négatifs, puis revu la structure du code informatique pour le rendre plus efficace. Dans un premier temps, nous avons utilisé ce nouvel algorithme, BANYAN II, pour identifier 25 nouvelles candidates membres d'associations jeunes parmi un échantillon de 158 étoiles de faible masse (de types spectraux > M4) et naines brunes jeunes déjà connues. Nous avons ensuite effectué la corrélation croisée de deux catalogues couvrant tout le ciel en lumière proche-infrarouge et contenant ~ 500 millions d’objets célestes pour identifier environ 100 000 candidates naines brunes et étoiles de faible masse du voisinage solaire. À l'aide de l'outil BANYAN II, nous avons alors identifié quelques centaines d'objets appartenant fort probablement à une association jeune parmi cet échantillon et effectué un suivi spectroscopique en lumière proche-infrarouge pour les caractériser. Les travaux présentés ici ont mené à l'identification de 79 candidates naines brunes jeunes ainsi que 150 candidates étoiles de faible masse jeunes, puis un suivi spectroscopique nous a permis de confirmer le jeune âge de 49 de ces naines brunes et 62 de ces étoiles de faible masse. Nous avons ainsi approximativement doublé le nombre de naines brunes jeunes connues, ce qui a ouvert la porte à une caractérisation statistique de leur population. Ces nouvelles naines brunes jeunes représentent un laboratoire idéal pour mieux comprendre l'atmosphère des exoplanètes géantes gazeuses. Nous avons identifié les premiers signes d’une remontée dans la fonction de masse initiale des naines brunes aux très faibles masses dans l'association jeune Tucana-Horologium, ce qui pourrait indiquer que l’éjection d’exoplanètes joue un rôle important dans la composition de leur population. Les résultats du suivi spectroscopique nous ont permis de construire une séquence empirique complète pour les types spectraux M5-L5 à l'âge du champ, à faible (β) et très faible (γ) gravité de surface. Nous avons effectué une comparaison de ces données aux modèles d'évolution et d'atmosphère, puis nous avons construit un ensemble de séquences empiriques de couleur-magnitude et types spectraux-magnitude pour les naines brunes jeunes. Finalement, nous avons découvert deux nouvelles exoplanètes par un suivi en imagerie directe des étoiles jeunes de faible masse identifiées dans ce projet. La future mission GAIA et le suivi spectroscopique complet des candidates présentées dans cette thèse permettront de confirmer leur appartenance aux associations jeunes et de contraindre la fonction de masse initiale dans le régime sous-stellaire.

Influence of ambient gas on the temperature and density of laser produced carbon plasma

The effect of ambient gas on the dynamics of the plasma generated by laser ablation of a carbon target using 1.06 μm radiation from a Q-switched Nd:YAG laser has been investigated using a spectroscopic technique. The emission characteristics of the carbon plasma produced in argon, helium and air atmospheres are found to depend strongly on the nature and pressure of the surrounding gas. It has been observed that hotter and denser plasmas are formed in an argon atmosphere rather than in helium or air as an ambient.

Análisis y diseño para la construcción de un plan estratégico de manejo eficiente de energía en la Universidad del Rosario

De acuerdo con el Programa de la Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), la producción más limpia «es una estrategia ambiental preventiva integrada que se aplica a los procesos, productos y servicios a fin de aumentar la eficiencia y reducir los riesgos para los seres humanos y el ambiente.» (Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), 2006) Esta estrategia es aplicable para cualquier proceso, producto o servicio y contiene diversas acciones que incluyen sencillos pasos que van desde pequeños cambios en los procedimientos operacionales de fácil e inmediata ejecución, hasta cambios mayores que impliquen la sustitución de materias primas, insumos o líneas de producción a unas más eficientes. De acuerdo con la investigación realizada, se formuló un plan estratégico de PML para la Universidad del Rosario que permita la conservación de las materias primas, como el agua y el manejo energético eficiente, la reducción de las materias primas toxicas, en cuanto a toxicidad y cantidad, y la reducción de emisiones y residuos que van al agua y a la atmósfera impactando el entorno a causa de los procesos que se desarrollan en la Universidad para la prestación de sus servicios. En este orden de ideas, la Producción más Limpia implementada en la Universidad requiere que se modifiquen ciertas actitudes, el desarrollo de una gestión ambiental responsable, la creación de políticas convenientes y la evaluación de nuevas opciones tecnologías que impacten de manera positiva su implementación a través de las siguientes técnicas: • Mejoras en el proceso • Buenas prácticas operativas • Mantenimiento de equipos • Reutilización y reciclaje • Cambios en la materia prima • Cambios en la tecnología De esta manera los resultados presentarán un modelo transformador para la Institución, que permita su perdurabilidad, convirtiéndola en una Universidad pionera capaz de disminuir su impacto de operaciones en la sociedad.

Dynamics of convectively driven banded jets in the laboratory

The banded organization of clouds and zonal winds in the atmospheres of the outer planets has long fascinated observers. Several recent studies in the theory and idealized modeling of geostrophic turbulence have suggested possible explanations for the emergence of such organized patterns, typically involving highly anisotropic exchanges of kinetic energy and vorticity within the dissipationless inertial ranges of turbulent flows dominated (at least at large scales) by ensembles of propagating Rossby waves. The results from an attempt to reproduce such conditions in the laboratory are presented here. Achievement of a distinct inertial range turns out to require an experiment on the largest feasible scale. Deep, rotating convection on small horizontal scales was induced by gently and continuously spraying dense, salty water onto the free surface of the 13-m-diameter cylindrical tank on the Coriolis platform in Grenoble, France. A “planetary vorticity gradient” or “β effect” was obtained by use of a conically sloping bottom and the whole tank rotated at angular speeds up to 0.15 rad s−1. Over a period of several hours, a highly barotropic, zonally banded large-scale flow pattern was seen to emerge with up to 5–6 narrow, alternating, zonally aligned jets across the tank, indicating the development of an anisotropic field of geostrophic turbulence. Using particle image velocimetry (PIV) techniques, zonal jets are shown to have arisen from nonlinear interactions between barotropic eddies on a scale comparable to either a Rhines or “frictional” wavelength, which scales roughly as (β/Urms)−1/2. This resulted in an anisotropic kinetic energy spectrum with a significantly steeper slope with wavenumber k for the zonal flow than for the nonzonal eddies, which largely follows the classical Kolmogorov k−5/3 inertial range. Potential vorticity fields show evidence of Rossby wave breaking and the presence of a “hyperstaircase” with radius, indicating instantaneous flows that are supercritical with respect to the Rayleigh–Kuo instability criterion and in a state of “barotropic adjustment.” The implications of these results are discussed in light of zonal jets observed in planetary atmospheres and, most recently, in the terrestrial oceans.

Equatorial Kelvin waves as revealed by EOS Microwave Limb Sounder observations and European Centre for Medium-Range Weather Forecasts analyses: Evidence for slow Kelvin waves of zonal wave number 3

[1] Temperature and ozone observations from the Microwave Limb Sounder (MLS) on the EOS Aura satellite are used to study equatorial wave activity in the autumn of 2005. In contrast to previous observations for the same season in other years, the temperature anomalies in the middle and lower tropical stratosphere are found to be characterized by a strong wave-like eastward progression with zonal wave number equal to 3. Extended empirical orthogonal function (EOF) analysis reveals that the wave 3 components detected in the temperature anomalies correspond to a slow Kelvin wave with a period of 8 days and a phase speed of 19 m/s. Fluctuations associated with this Kelvin wave mode are also apparent in ozone profiles. Moreover, as expected by linear theory, the ozone fluctuations observed in the lower stratosphere are in phase with the temperature perturbations, and peak around 20–30 hPa where the mean ozone mixing ratios have the steepest vertical gradient. A search for other Kelvin wave modes has also been made using both the MLS observations and the analyses from one experiment where MLS ozone profiles are assimilated into the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) data assimilation system via a 6-hourly 3D var scheme. Our results show that the characteristics of the wave activity detected in the ECMWF temperature and ozone analyses are in good agreement with MLS data.

The role of mean ocean salinity in climate

We describe numerical simulations designed to elucidate the role of mean ocean salinity in climate. Using a coupled atmosphere-ocean general circulation model, we study a 100-year sensitivity experiment in which the global-mean salinity is approximately doubled from its present observed value, by adding 35 psu everywhere in the ocean. The salinity increase produces a rapid global-mean sea-surface warming of C within a few years, caused by reduced vertical mixing associated with changes in cabbeling. The warming is followed by a gradual global-mean sea-surface cooling of C within a few decades, caused by an increase in the vertical (downward) component of the isopycnal diffusive heat flux. We find no evidence of impacts on the variability of the thermohaline circulation (THC) or El Niño/Southern Oscillation (ENSO). The mean strength of the Atlantic meridional overturning is reduced by 20% and the North Atlantic Deep Water penetrates less deeply. Nevertheless, our results dispute claims that higher salinities for the world ocean have profound consequences for the thermohaline circulation. In additional experiments with doubled atmospheric carbon dioxide, we find that the amplitude and spatial pattern of the global warming signal are modified in the hypersaline ocean. In particular, the equilibrated global-mean sea-surface temperature increase caused by doubling carbon dioxide is reduced by 10%. We infer the existence of a non-linear interaction between the climate responses to modified carbon dioxide and modified salinity.

Jupiter's and Saturn's convectively driven banded jets in the laboratory

The banded patterns of cloud and wind are among the most striking features of the atmospheres of Jupiter and Saturn, but their dynamical origin remains poorly understood. Most approaches towards understanding zonation so far (also in the terrestrial oceans) have used highly idealized models to show that it might originate from dynamical anisotropy in a shallow turbulent fluid layer due to the planetary β-effect. Here we report the results of laboratory experiments, conducted on a 14-m diameter turntable, which quantitatively confirm that multiple zonal jets may indeed be generated and maintained by this mechanism in the presence of deep convection and a topographic β-effect. At the very small values of Ekman number (≤2 × 10−5) and large local Reynolds numbers (≥2000, based on jet scales) achieved, the kinetic energy spectra suggest the presence of both energy-cascading and enstrophy-cascading inertial ranges in addition to the zonation near twice the Rhines wave number.

Electrification of volcanic plumes

Volcanic lightning, perhaps the most spectacular consequence of the electrification of volcanic plumes, has been implicated in the origin of life on Earth, and may also exist in other planetary atmospheres. Recent years have seen volcanic lightning detection used as part of a portfolio of developing techniques to monitor volcanic eruptions. Remote sensing measurement techniques have been used to monitor volcanic lightning, but surface observations of the atmospheric electric Potential Gradient (PG) and the charge carried on volcanic ash also show that many volcanic plumes, whilst not sufficiently electrified to produce lightning, have detectable electrification exceeding that of their surrounding environment. Electrification has only been observed associated with ash-rich explosive plumes, but there is little evidence that the composition of the ash is critical to its occurrence. Different conceptual theories for charge generation and separation in volcanic plumes have been developed to explain the disparate observations obtained, but the ash fragmentation mechanism appears to be a key parameter. It is unclear which mechanisms or combinations of electrification mechanisms dominate in different circumstances. Electrostatic forces play an important role in modulating the dry fallout of ash from a volcanic plume. Beyond the local electrification of plumes, the higher stratospheric particle concentrations following a large explosive eruption may affect the global atmospheric electrical circuit. It is possible that this might present another, if minor, way by which large volcanic eruptions affect global climate. The direct hazard of volcanic lightning to communities is generally low compared to other aspects of volcanic activity.

On the initiation of surface waves by turbulent shear flow

An analytical model is developed for the initial stage of surface wave generation at an air-water interface by a turbulent shear flow in either the air or in the water. The model treats the problem of wave growth departing from a flat interface and is relevant for small waves whose forcing is dominated by turbulent pressure fluctuations. The wave growth is predicted using the linearised and inviscid equations of motion, essentially following Phillips [Phillips, O.M., 1957. On the generation of waves by turbulent wind. J. Fluid Mech. 2, 417-445], but the pressure fluctuations that generate the waves are treated as unsteady and related to the turbulent velocity field using the rapid-distortion treatment of Durbin [Durbin, P.A., 1978. Rapid distortion theory of turbulent flows. PhD thesis, University of Cambridge]. This model, which assumes a constant mean shear rate F, can be viewed as the simplest representation of an oceanic or atmospheric boundary layer. For turbulent flows in the air and in the water producing pressure fluctuations of similar magnitude, the waves generated by turbulence in the water are found to be considerably steeper than those generated by turbulence in the air. For resonant waves, this is shown to be due to the shorter decorrelation time of turbulent pressure in the air (estimated as proportional to 1/Gamma), because of the higher shear rate existing in the air flow, and due to the smaller length scale of the turbulence in the water. Non-resonant waves generated by turbulence in the water, although being somewhat gentler, are still steeper than resonant waves generated by turbulence in the air. Hence, it is suggested that turbulence in the water may have a more important role than previously thought in the initiation of the surface waves that are subsequently amplified by feedback instability mechanisms.

Global climate and ocean circulation on an aquaplanet ocean-atmosphere general circulation model

A low resolution coupled ocean-atmosphere general circulation model OAGCM is used to study the characteristics of the large scale ocean circulation and its climatic impacts in a series of global coupled aquaplanet experiments. Three configurations, designed to produce fundamentally different ocean circulation regimes, are considered. The first has no obstruction to zonal flow, the second contains a low barrier that blocks zonal flow in the ocean at all latitudes, creating a single enclosed basin, whilst the third contains a gap in the barrier to allow circumglobal flow at high southern latitudes. Warm greenhouse climates with a global average air surface temperature of around 27C result in all cases. Equator to pole temperature gradients are shallower than that of a current climate simulation. Whilst changes in the land configuration cause regional changes in temperature, winds and rainfall, heat transports within the system are little affected. Inhibition of all ocean transport on the aquaplanet leads to a reduction in global mean surface temperature of 8C, along with a sharpening of the meridional temperature gradient. This results from a reduction in global atmospheric water vapour content and an increase in tropical albedo, both of which act to reduce global surface temperatures. Fitting a simple radiative model to the atmospheric characteristics of the OAGCM solutions suggests that a simpler atmosphere model, with radiative parameters chosen a priori based on the changing surface configuration, would have produced qualitatively different results. This implies that studies with reduced complexity atmospheres need to be guided by more complex OAGCM results on a case by case basis.