Numerical Studies of Dark Energy Models and Observations

The cosmological standard view is based on the assumptions of homogeneity, isotropy and general relativistic gravitational interaction. These alone are not sufficient for describing the current cosmological observations of accelerated expansion of space. Although general relativity is extremely accurately tested to describe the local gravitational phenomena, there is a strong demand for modifying either the energy content of the universe or the gravitational interaction itself to account for the accelerated expansion. By adding a non-luminous matter component and a constant energy component with negative pressure, the observations can be explained with general relativity. Gravitation, cosmological models and their observational phenomenology are discussed in this thesis. Several classes of dark energy models that are motivated by theories outside the standard formulation of physics were studied with emphasis on the observational interpretation. All the cosmological models that seek to explain the cosmological observations, must also conform to the local phenomena. This poses stringent conditions for the physically viable cosmological models. Predictions from a supergravity quintessence model was compared to Supernova 1a data and several metric gravity models were studied with local experimental results. Polytropic stellar configurations of solar, white dwarf and neutron stars were numerically studied with modified gravity models. The main interest was to study the spacetime around the stars. The results shed light on the viability of the studied cosmological models.

Observations de pulsateurs compacts à l'aide de la caméra Mont4K CCD

Les pulsateurs compacts sont des étoiles présentant des variations intrinsèques de luminosité dont les gravités de surface sont supérieures à 100,000 cm/s² On retrouve parmi ces objets deux familles des sous-naines chaudes de type B (sdB) pulsantes et quatre familles distinctes de naines blanches pulsantes. Dans le but d'observer les pulsations de tels objets pour ensuite analyser leur propriétés grâce à l'astéroséismologie, l'Université de Montréal, en collaboration avec le Imaging Technology Laboratory (ITL - University of Arizona), a développé la caméra Mont4K (Montreal4K) CCD qui est, depuis le printemps 2007, le principal détecteur employé au télescope Kuiper de 1.55 m du Mt Bigelow (Steward Observatory, University of Arizona). à l'aide de ce montage, des observations ont été menées pour quelques-uns de ces pulsateurs compacts. La première cible fut HS 0702+6043, un pulsateur hybride. Une importante mission pour cet objet, réalisée du 1er novembre 2007 au 14 mars 2008, a permis d'identifier 28 modes de pulsations pour cet objet en plus de mettre en évidence pour certains de ces modes d'importantes variations d'amplitude. Deux autres cibles furent les naines blanches pulsantes au carbone de type « Hot DQ » SDSS J220029.08-074121.5 et SDSS J234843.30-094245.3. Il fut possible de montrer de façon indirecte la présence d'un fort champ magnétique à la surface de J220029.08-074121.5 grâce à la présence de la première harmonique du mode principal. En outre, pour ces deux cibles, on a pu conclure que celles-ci font bel et bien partie de la classe des naines blanches pulsantes au carbone.

Analyse des paramètres atmosphériques des étoiles naines blanches dans le voisinage solaire

Ce mémoire présente une analyse homogène et rigoureuse de l’échantillon d’étoiles naines blanches situées à moins de 20 pc du Soleil. L’objectif principal de cette étude est d’obtenir un modèle statistiquement viable de l’échantillon le plus représentatif de la population des naines blanches. À partir de l’échantillon défini par Holberg et al. (2008), il a fallu dans un premier temps réunir le plus d’information possible sur toutes les candidates locales sous la forme de spectres visibles et de données photométriques. En utilisant les modèles d’atmosphère de naines blanches les plus récents de Tremblay & Bergeron (2009), ainsi que différentes techniques d’analyse, il a été permis d’obtenir, de façon homogène, les paramètres atmosphériques (Teff et log g) des naines blanches de cet échantillon. La technique spectroscopique, c.-à-d. la mesure de Teff et log g par l’ajustement des raies spectrales, fut appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon pour lesquelles un spectre visible présentant des raies assez fortes était disponible. Pour les étoiles avec des données photométriques, la distribution d’énergie combinée à la parallaxe trigonométrique, lorsque mesurée, permettent de déterminer les paramètres atmosphériques ainsi que la composition chimique de l’étoile. Un catalogue révisé des naines blanches dans le voisinage solaire est présenté qui inclut tous les paramètres atmosphériques nouvellement determinés. L’analyse globale qui en découle est ensuite exposée, incluant une étude de la distribution de la composition chimique des naines blanches locales, de la distribution de masse et de la fonction luminosité.

Analyse spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hydrogène(DA) : vers des modèles d'atmosphère améliorés sans paramètres libres

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange.

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.

Fireball models for flares in AE Aquarii

We examine the flaring behaviour of the cataclysmic variable AE Aqr in the context of the `magnetic propeller' model for this system. The flares are thought to arise from collisions between high-density regions in the material expelled from the system after interaction with the rapidly rotating magnetosphere of the white dwarf. We calculate the first quantitative models for the flaring and calculate the time-dependent emergent optical spectra from the resulting hot, expanding ball of gas. We compare the results under different assumptions to observations and derive values for the mass, length-scale and temperature of the material involved in the flare. We see that the fits suggest that the secondary star in this system has Population II composition.

High-speed Keck spectroscopy of flares and oscillations in AE Aquarii

Using high-time-resolution (72 ms) spectroscopy of AE Aqr obtained with LRIS on Keck II we have determined the spectrum and spectral evolution of a small flare. Continuum and integrated line fluxes in the flare spectrum are measured, and the evolution of the flare is parametrized for future comparison with detailed models of the flares. We find that the velocities of the flaring components are consistent with those previously reported for AE Aqr by Welsh, Horne & Gomer and Horne. The characteristics of the 33-s oscillations are investigated: we derive the oscillation amplitude spectrum, and from that determine the spectrum of the heated regions on the rotating white dwarf. Blackbody fits to the major and minor pulse spectra and an analysis of the emission-line oscillation properties highlight the shortfalls in the simple hotspot model for the oscillations.

REVIEW: Fireballs, Flares and Flickering

We review our understanding of the prototype ``Propeller'' system AE Aqr and we examine its flaring behaviour in detail. The flares are thought to arise from collisions between high density regions in the material expelled from the system after interaction with the rapidly rotating magnetosphere of the white dwarf. We show calculations of the time-dependent emergent optical spectra from the resulting hot, expanding ball of gas and derive values for the mass, lengthscale and temperature of the material involved. We see that the fits suggest that the secondary star in this system has reduced metal abundances and that, counter-intuitively, the evolution of the fireballs is best modelled as isothermal.

A Time-Series Analysis of the H alpha Emission Line in V3885 Sagitarii

Flickering is a phenomenon related to mass accretion observed among many classes of astrophysical objects. In this paper we present a study of flickering emission lines and the continuum of the cataclysmic variable V3885 Sgr. The flickering behavior was first analyzed through statistical analysis and the power spectra of lightcurves. Autocorrelation techniques were then employed to estimate the flickering timescale of flares. A cross-correlation study between the line and its underlying continuum variability is presented. The cross-correlation between the photometric and spectroscopic data is also discussed. Periodograms, calculated using emission-line data, show a behavior that is similar to those obtained from photometric datasets found in the literature, with a plateau at lower frequencies and a power-law at higher frequencies. The power-law index is consistent with stochastic events. The cross-correlation study indicates the presence of a correlation between the variability on Ha and its underlying continuum. Flickering timescales derived from the photometric data were estimated to be 25 min for two lightcurves and 10 min for one of them. The average timescales of the line flickering is 40 min, while for its underlying continuum it drops to 20 min.

XMM-Newton EPIC and OM observation of Nova Centauri 1986 (V842 Cen)

We report the results from the temporal and spectral analysis of an XMMNewton observation of Nova Centauri 1986 (V842 Cen). We detect a period at 3.51 +/- 0.4 h in the EPIC data and at 4.0 +/- 0.8 h in the Optical Monitor (OM) data. The X-ray spectrum is consistent with the emission from an absorbed thin thermal plasma with a temperature distribution given by an isobaric cooling flow. The maximum temperature of the cooling flow model is keV. Such a high temperature can be reached in a shocked region and, given the periodicity detected, most likely arises in a magnetically channelled accretion flow characteristic of intermediate polars. The pulsed fraction of the 3.51-h modulation decreases with energy as observed in the X-ray light curves of magnetic cataclysmic variables, possibly due either to occultation of the accretion column by the white dwarf body or phase-dependent to absorption. We do not find the 57-s white dwarf spin period, with a pulse amplitude of 4 mmag, reported by Woudt et al. in either the OM data, which are sensitive to pulse amplitudes ?0.03 mag, or the EPIC data, sensitive to pulse fractions p? 14 +/- 2 per cent.

Type Ia Supernovae : Homogeneity and Diversity

The use of type Ia supernovae as distance estimators has shown that about 75% of the energy content of the universe has a negative equation of state parameter and thus, drives the acceleration of the universe. Constraining the exact nature of this energy is one of the main goals in cosmology. As the statistics of observed high-redshift supernovae increases, systematic effects become the limiting factor to pursue such investigations, thus deeper understanding of the physical properties of SNe is of great importance. In this thesis we investigate spectral homogeneity and diversity of local and high redshift supernovae. Special emphasis has been given to the analysis of optical spectra of local peculiar supernovae 1999aa and 1999ac. The study of the spectra of SN 1999aa pointed out that this SN could be a link between the extreme peculiar SN 1991T and normal SNe. Moreover, the identification of a high velocity component of Ca II and possibly of a low velocity component of C III suggests some degree of asphericity in the ejecta of this supernova. Evidence for a deflagration of a C+O white dwarf was found in the early spectra of SN 1999ac. The spectral proprieties of a vast sample of local SNe are also studied by means of newly introduced spectral indicators. These were used to possibly improve the intrinsic spread of SN peak magnitudes to 0.15 mag, independently of light curve parameters. The first quantitative comparison between local and high redshift supernova is carried out. No evidence for extreme peculiar sub-luminous SNe was found in our data set including 13 SNe with redshift range z=0.279-0.912. Furthermore, SN2002fd (z=0.279) was found to show spectral characteristics similar to SN 1991T/SN 1999aa-like supernovae. We also present a feasibility study of the Hubble diagram in rest frame I-band up to z~0.5, and show the possibility to probe the presence of intergalactic dust, which could possibly mimic the effect of dark energy in the Hubble diagram.

A spectroscopic and photometric study of MSP companions in Galactic Globular Clusters

This Thesis is devoted to the study of the optical companions of Millisecond Pulsars in Galactic Globular Clusters (GCs) as a part of a large project started at the Department of Astronomy of the Bologna University, in collaboration with other institutions (Astronomical Observatory of Cagliari and Bologna, University of Virginia), specifically dedicated to the study of the environmental effects on passive stellar evolution in galactic GCs. Globular Clusters are very efficient “Kilns” for generating exotic object, such as Millisecond Pulsars (MSP), low mass X-ray binaries(LMXB) or Blue Straggler Stars (BSS). In particular MSPs are formed in binary systems containing a Neutron Star which is spun up through mass accretion from the evolving companion (e.g. Bhattacharia & van den Heuvel 1991). The final stage of this recycling process is either the core of a peeled star (generally an Helium white dwarf) or a very light almos exhausted star, orbiting a very fast rotating Neutron Star (a MSP). Despite the large difference in total mass between the disk of the Galaxy and the Galactic GC system (up a factor 103), the percentage of fast rotating pulsar in binary systems found in the latter is very higher. MSPs in GCs show spin periods in the range 1.3 ÷ 30ms, slowdown rates ˙P 1019 s/s and a lower magnetic field, respect to ”normal” radio pulsars, B 108 gauss . The high probability of disruption of a binary systems after a supernova explosion, explain why we expect only a low percentage of recycled millisecond pulsars respect to the whole pulsar population. In fact only the 10% of the known 1800 radio pulsars are radio MSPs. Is not surprising, that MSP are overabundant in GCs respect to Galactic field, since in the Galactic Disk, MSPs can only form through the evolution of primordial binaries, and only if the binary survives to the supernova explosion which lead to the neutron star formation. On the other hand, the extremely high stellar density in the core of GCs, relative to most of the rest of the Galaxy, favors the formation of several different binary systems, suitable for the recycling of NSs (Davies at al. 1998). In this thesis we will present the properties two millisecond pulsars companions discovered in two globular clusters, the Helium white dwarf orbiting the MSP PSR 1911-5958A in NGC 6752 and the second case of a tidally deformed star orbiting an eclipsing millisecond pulsar, PSR J1701-3006B in NGC6266

The VLT/NaCo large program to probe the occurrence of exoplanets and brown dwarfs at wide orbits II. Survey description, results, and performances

Context. Young, nearby stars are ideal targets for direct imaging searches for giant planets and brown dwarf companions. After the first-imaged planet discoveries, vast efforts have been devoted to the statistical analysis of the occurence and orbital distributions of giant planets and brown dwarf companions at wide (>= 5-6 AU) orbits. Aims. In anticipation of the VLT/SPHERE planet-imager, guaranteed-time programs, we have conducted a preparatory survey of 86 stars between 2009 and 2013 to identify new faint comoving companions to ultimately analyze the occurence of giant planets and brown dwarf companions at wide (10-2000 AU) orbits around young, solar-type stars. Methods. We used NaCo at VLT to explore the occurrence rate of giant planets and brown dwarfs between typically 0.1 and 8 ''. Diffraction-limited observations in H-band combined with angular differential imaging enabled us to reach primary star-companion brightness ratios as small as 10(-6) at 1.5 ''. Repeated observations at several epochs enabled us to discriminate comoving companions from background objects. Results. During our survey, twelve systems were resolved as new binaries, including the discovery of a new white dwarf companion to the star HD8049. Around 34 stars, at least one companion candidate was detected in the observed field of view. More than 400 faint sources were detected; 90% of them were in four crowded fields. With the exception of HD8049 B, we did not identify any new comoving companions. The survey also led to spatially resolved images of the thin debris disk around HD61005 that have been published earlier. Finally, considering the survey detection limits, we derive a preliminary upper limit on the frequency of giant planets for the semi-major axes of [10, 2000] AU: typically less than 15% between 100 and 500 AU and less than 10% between 50 and 500 AU for exoplanets that are more massive than 5 M-Jup and 10 M-Jup respectively, if we consider a uniform input distribution and a confidence level of 95%. Conclusions. The results from this survey agree with earlier programs emphasizing that massive, gas giant companions on wide orbits around solar-type stars are rare. These results will be part of a broader analysis of a total of similar to 210 young, solar-type stars to bring further statistical constraints for theoretical models of planetary formation and evolution.

The age of the universe from nuclear chronometers

An overview is presented of the current situation regarding radioactive dating of the matter of which our Galaxy is comprised. A firm lower bound on the age from nuclear chronometers of ≈9–10 Gyr is entirely consistent with age determinations from globular clusters and white dwarf cooling histories. The reasonable assumption of an approximately uniform nucleosynthesis rate yields an age for the Galaxy of 12.8 ± 3 Gyr, which again is consistent with current determinations from other methods.