SN2014J gamma rays from the 56Ni decay chain

Context. The detection and measurement of gamma-ray lines from the decaychain of 56Ni provides unique information about the explosionin supernovae. SN2014J at 3.3 Mpc is a sufficiently-nearby supernova oftype Ia so that such measurements have been feasible with the gamma-rayspectrometer SPI on ESA's INTEGRAL gamma-ray observatory.

Aims:The 56Ni freshly produced in the supernova is understood topower the optical light curve, because it emits gamma rays upon itsradioactive decay first to 56Co and then to 56Fe.Gamma-ray lines from 56Co decay are expected to becomedirectly visible through the white dwarf material several weeks afterthe explosion, as they progressively penetrate the overlying material ofthe supernova envelope, which is diluted as it expands. The lines areexpected to be Doppler-shifted or broadened from the kinematics of the56Ni ejecta. We aim to exploit high-resolution gamma-rayspectroscopy with the SPI spectrometer on INTEGRAL toward constrainingthe 56Ni distribution and kinematics in this supernova.

Methods: We use the observations with the SPI spectrometer onINTEGRAL, together with an improved instrumental background method.

Results: We detect the two main lines from 56Co decay at847 and 1238 keV, which are significantly Doppler-broadened, and atintensities (3.65 ± 1.21) × 10-4 and (2.27± 0.69) × 10-4 ph cm-2s-1, respectively, at their brightness maximum. We measuretheir rise toward a maximum after about 60-100 days and a declinethereafter. The intensity ratio of the two lines is found to beconsistent with expectations from 56Co decay (0.62 ±0.28 at brightness maximum, the expected ratio is 0.68). We find thatthe broad lines seen in the late, gamma-ray transparent phase are notrepresentative of the early gamma-ray emission, and notice instead thatthe emission spectrum is complex and irregular until the supernova isfully transparent to gamma rays, with progressive uncovering of the bulkof 56Ni. We infer that the explosion morphology is notspherically symmetric, both in the distribution of 56Ni andin the unburnt material which occults the 56Co emission.After we compare light curves from different plausible models, theresulting 56Ni mass is determined to be 0.49 ± 0.09M⊙.

Gamma-ray diagnostics of Type Ia supernovae. Predictions of observables from three-dimensional modeling

Context. Although the question of progenitor systems and detailed explosion mechanisms still remains a matter of discussion, it is commonly believed that Type Ia supernovae (SNe Ia) are production sites of large amounts of radioactive nuclei. Even though the gamma-ray emission due to radioactive decays is responsible for powering the light curves of SNe Ia, gamma rays themselves are of particular interest as a diagnostic tool because they directly lead to deeper insight into the nucleosynthesis and the kinematics of these explosion events. Aims: We study the evolution of gamma-ray line and continuum emission of SNe Ia with the objective of analyzing the relevance of observations in this energy range. We seek to investigate the chances for the success of future MeV missions regarding their capabilities for constraining the intrinsic properties and the physical processes of SNe Ia. Methods: Focusing on two of the most broadly discussed SN Ia progenitor scenarios - a delayed detonation in a Chandrasekhar-mass white dwarf (WD) and a violent merger of two WDs - we used three-dimensional explosion models and performed radiative transfer simulations to obtain synthetic gamma-ray spectra. Both chosen models produce the same mass of 56Ni and have similar optical properties that are in reasonable agreement with the recently observed supernova SN 2011fe. We examine the gamma-ray spectra with respect to their distinct features and draw connections to certain characteristics of the explosion models. Applying diagnostics, such as line and hardness ratios, the detection prospects for future gamma-ray missions with higher sensitivities in the MeV energy range are discussed. Results: In contrast to the optical regime, the gamma-ray emission of our two chosen models proves to be quite different. The almost direct connection of the emission of gamma rays to fundamental physical processes occurring in SNe Ia permits additional constraints concerning several explosion model properties that are not easily accessible within other wavelength ranges. Proposed future MeV missions such as GRIPS will resolve all spectral details only for nearby SNe Ia, but hardness ratio and light curve measurements still allow for a distinction of the two different models at 10 Mpc and 16 Mpc for an exposure time of 106 s. The possibility of detecting the strongest line features up to the Virgo distance will offer the opportunity to build up a first sample of SN Ia detections in the gamma-ray energy range and underlines the importance of future space observatories for MeV gamma rays.

Laboratory measurements of resistivity in warm dense plasmas relevant to the microphysics of brown dwarfs

Since the observation of the first brown dwarf in 1995, numerous studies have led to a better understanding of the structures of these objects. Here we present a method for studying material resistivity in warm dense plasmas in the laboratory, which we relate to the microphysics of brown dwarfs through viscosity and electron collisions. Here we use X-ray polarimetry to determine the resistivity of a sulphur-doped plastic target heated to Brown Dwarf conditions by an ultra-intense laser. The resistivity is determined by matching the plasma physics model to the atomic physics calculations of the measured large, positive, polarization. The inferred resistivity is larger than predicted using standard resistivity models, suggesting that these commonly used models will not adequately describe the resistivity of warm dense plasma related to the viscosity of brown dwarfs.

An age-activity calibration for old low-mass stars

Low-mass stars are highly interesting targets: we are able to detect planets in their habitable zones, and upcoming searches for biomarkers in exoplanet atmospheres will focus on low-mass star systems due to their ubiquity and proximity. We aim to develop an age-activity calibration for old low-mass stars, using wide binary systems consisting of an M or K dwarf and a white dwarf. The age of the system is determined by the WD cooling time plus its progenitor lifetime, yielding reliable ages in the regime >1 Gyr. For an exploratory sample of 7 systems where we have already derived ages, we propose to perform Chandra ACIS-S observations to determine the X-ray luminosities of the M dwarfs and correlate their stellar activity with age. We ask for a total observing time of 110 ks.

Where are the mid-sized flares of ultracool M dwarfs?

We propose to observe the M8.5 dwarf SCR J1845-6357 with XMM-Newton EPIC for 60 ks. Very low-mass M dwarfs show a distinct drop in X-ray luminosity compared to slightly more massive M dwarfs. Surprisingly, this does not happen at the mass threshold where M dwarfs become fully convective (M4), but at significantly lower masses (M8). These very low mass stars seem to have a flaring behaviour different from earlier type stars: they display either occasional large flares or a very low-level "flickering" in their X-ray light curves, but not the canonical power-law flare-energy distribution observed for the Sun and other cool stars. Our aim is to collect a long-duration light curve for one of the most nearby ultracool dwarfs to quantify how its flare-energy distribution differs from earlier type stars.

X-ray driven evaporation of exoplanet atmospheres: discovery of a uniquely suited test system

The evaporation of exoplanetary atmospheres is thought to be driven by high-energy irradiation. However, the actual mass loss rates are not well constrained. Co-I Kipping has recently discovered that the star KOI-314, an M1V dwarf at 65 pc distance, is orbited by two earth-sized planets, the inner one of them rocky and the outer one gaseous (P_orb = 14d and 23d). Other recent works have shown an abundance of small rocky planets in very close orbits around their host stars, suggesting that the stellar high-energy irradiation evaporates away gaseous envelopes. KOI-314 is the first nearby system in which earth-sized planets of both types are detected, allowing us to constrain the efficiency of planetary evaporation if the stellar X-ray irradiation is measured. We therefore propose a 10 ks Chandra ACIS-S pointing to determine the stellar X-ray luminosity and hardness ratio. The accuracy of the orbital solution decreases quickly due to Transit-Timing Variations, which is why we ask for DDT.

Morphological and ecological studies on the phylum Cycliophora

Cycliophora é um filo animal descrito recentemente que acomoda, apenas, duas espécies: Symbion pandora Funch e Kristensen, 1995 e S. americanus Obst, Funch e Kristensen, 2006. Este filo é caracterizado por um ciclo de vida assaz complexo, cuja posição filogenética tem sido debatida desde a sua descoberta. Esta dissertação visa aprofundar o conhecimento geral existente acerca destes enigmáticos e pouco explorados metazoários. Assim, vários aspectos da morfologia e ecologia de ciclióforos foram estudados através de observações in vivo, técnicas de microscopia e reconstrução tridimensional. A mioanatomia de várias fases do ciclo de vida é descrita para S. pandora e S. americanus. Os nossos resultados revelam uma similaridade contundente entre a musculatura das duas espécies. A mioanatomia geral de Symbion é, ainda, comparada à de outros metazoários. A expressão de algumas substâncias imunorreactivas, como são exemplo a serotonina e as sinapsinas, é investigada em várias formas do ciclo de vida. Quando comparados com outros representantes de Spiralia, conclui-se que a neuroanatomia geral dos ciclióforos se assemelha mais às formas larvares do que aos adultos. Apesar de possuírem um plano corporal sofisticado, com extensas áreas ciliadas e uma mioanatomia complexa, descobrimos que o macho de ambas as espécies Symbion é composto por apenas algumas dezenas de células. Baseando-nos nestas observações, inferimos que a complexidade dos metazoários não se relaciona com o tamanho corporal nem com o número de células de um organismo. Estudos sobre a ultra-estrutura da fêmea revelaram, entre outras estruturas, um putativo poro genital, extensões citoplasmáticas do oócito e glândulas posteriores. Morfologia e implicações funcionais destas estruturas são aqui discutidas. A anatomia do protonefrídeo da larva cordóide é descrita. A arquitectura deste órgão diverge daquela presente noutros representantes de Nephrozoa, particularmente ao nível da área de filtração da célula terminal. As nossas observações são discutidas em termos filogenéticos. A maturação sexual em ciclióforos é investigada. Os nossos resultados sugerem que a transição de reprodução assexual a sexual se relacione com a idade da forma séssil, a “feeding stage”. A presença da larva Prometeus assente no tronco desta também poderá influenciar o processo, embora mais estudos sejam desejáveis para o comprovar. Os nossos resultados são discutidos integrativa e comparativamente com o conhecimento prévio sobre Cycliophora. A cumulação deste conhecimento será essencial para a compreensão da evolução e filogenia deste enigmático filo.

Intracellular antioxidant and DNA repair enzymes as correlates of stress resistance and longevity in vertebrates

In animals, both stress resistance and longevity appear to be influenced by the insulin/insulin-like growth factor-l signaling (lIS) pathway, the basic organization of which is highly conserved from invertebrates to vertebrates. Reduced lIS or genetic disruption of the lIS pathway leads to the activation of forkhead box transcription factors, which is thought to upregulate the expression of genes involved in enhancing stress resistance, including perhaps key antioxidant enzymes as well as DNA repair enzymes. Enhanced antioxidant and DNA repair capacities may underlie the enhanced cellular stress resistance observed in long-lived animals, however little data is available that directly supports this idea. I used three. experimental approaches to test the association of intracellular antioxidant and DNA base excision repair (BER) capacities with stress resistance and longevity: (1) a comparison of multiple vertebrate endotherm species of varying body masses and longevities; (2) a comparison of long-lived Snell dwarf mice and their normallittermates; and (3) a comparison of hypometabolic animals undergoing hibernation or estivation with their active counterparts. The activities of the five major intracellular antioxidant enzymes as well as the two rate-limiting enzymes in the BER pathway, apurininc/apyrimidinic (AP) endonuclease and polymerase ~, were measured. These measurements were performed in one or more of the following: (1) cultured dermal fibroblasts; (2) brain tissue; (3) heart tissue; (4) liver tissue. My results indicate that antioxidant enzymes are not universally upregulated in association with enhanced stress resistance and longevity. I also did not find that BER enzyme activity was positively correlated with longevity, in an inter-species context, though there was evidence for enhanced BER in long-lived Snell dwarf mice. Thus, while there were instances in which enhanced antioxidant and BER enzyme activities were associated with increased stress resistance and/or longevity, this was not universally the case, indicating that other mechanisms must be involved. These results suggest the need to re-examine existing 'oxidative stress' hypotheses of longevity and probe further into the molecular physiology of longevity to discover its mechanistic basis.

Correlation of Protein Homeostasis With Maximum Lifespans in Endothermic Vertebrates

Cellular stress resistance has been shown to be highly correlated with longevity. However, the mechanisms conferring this stress resistance have yet to be identified. Maintenance of protein homeostasis is a critical component of cellular maintenance and stress resistance. Superior protein homeostasis capacities may thus underlie the greater stress resistance observed in longer-lived animals; however, little vertebrate data have been provided supporting this idea. I used two different experimental approaches to test the associations of protein homeostasis capacities with stress resistance and lifespan: 1) a comparison between a large set of vertebrate species with varying body masses and lifespans and 2) a comparison of long-lived Snell dwarf mice and their normal littermates. Protein homeostasis mechanisms including protein degradation activity, protein repair activity and molecular chaperone levels were examined. These measurements were performed in liver, heart and brain tissues, and isolated myoblasts. My results indicated that neither protein degradation nor protein repair were upregulated in association with enhanced stress resistance and longevity in an inter-species and intraspecies context. Furthermore, my results did show that there is a positive correlation between molecular chaperone levels and maximum lifespan (MLSP). However, there was no elevation of chaperone levels in the long-lived Snell dwarf mouse, indicating there are other mechanisms linked to their increased lifespan. Therefore, these results suggest that molecular chaperones are involved in increasing animal lifespan in an interspecies context.

Alloparental care in a solitary bee

Research into the evolutionary origins of sociality in insect colonies is changing emphasis from understanding how eusociality is maintained to how insects transition from solitary to social lifestyles. The pygmy carpenter bees (Ceratina spp.) offer an excellent model for investigating such factors as they have been historically thought of as solitary but have recently been shown to be socially polymorphic, which may indicate that they are currently in a transitive phase. By utilizing behavioural observation and experimental removal protocols, I show that extended parental care, as well as sibling care in Ceratina calcarata plays an important role in offspring development. I found, upon removal of the mother, that specifically produced ‘dwarf’ female offspring take over parental care roles in the nest. The existence of alloparental care and generational overlap suggests that although they are classified as solitary bees, C. calcarata possess the prerequisite behavioural repertoire for sociality.

Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

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.

Effets de l'atmosphère terrestre sur les spectres de naines brunes

Les naines brunes sont des astres incapables de déclencher et soutenir des réactions nucléaires dans leur cœur. En l’absence de cette source d’énergie, leur luminosité diminue avec le temps jusqu’à leur extinction complète. Leur flux aux longueurs d’onde de 0,8 à 2,35 μm est particulièrement altéré par l’humidité contenue dans l’atmosphère terrestre, ce qui complique l’étude de ces astres. Le but de la présente recherche est de vérifier si la division par un spectre d’étoile A0 est un moyen de corriger l’altération causée par l’atmosphère terrestre sur cette partie de leur spectre. Tout d’abord, des notions, pertinentes à la compréhension de ce travail, sont abordées. L’introduction présente quelques notions sur les naines brunes et sur l’atmosphère terrestre. Le deuxième chapitre concerne le traitement des données. Il traite de la calibration, de la mise en évidence du problème de non-répétabilité de la position de la fente du spectromètre SIMON ainsi que de ses causes. Il porte aussi sur l’uniformisation de la réponse des pixels et de la soustraction du ciel pour extraire les spectres. La méthode employée pour étudier l’effet de l’atmosphère terrestre sur les spectres de naines brunes y est présentée. Le troisième chapitre analyse les résultats obtenus par l’utilisation de l’étoile de référence de type A0 comme calibration pour corriger le spectre de naine brune, en assumant un même effet de l’atmosphère terrestre sur les deux types d’astres. Nous ne pouvons conclure, avec certitude, que l’absorption tellurique affecte de la même façon les deux spectres ni de quelle façon exactement ils sont affectés. Une recherche supplémentaire nécessitant de nouvelles prises de données à des masses d’air et à des taux d’humidité variés est requise.

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.