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.

A study of the large-scale structure of the wind of WR 134

Diverses méthodes ont été utilisées pour étudier les étoiles Wolf-Rayet (WR) dans le but de comprendre les phénomènes physiques variés qui prennent place dans leur vent dense. Pour étudier la variabilité qui n'est pas strictement périodique et ayant des caractéristiques différentes d'une époque à l'autre, il faut observer pendant des périodes de temps suffisamment longues en adopter un échantillonnage temporel élevé pour être en mesure d'identifier les phénomènes physiques sous-jacents. À l'été 2013, des astronomes professionnels et amateurs du monde entier ont contribué à une campagne d'observation de 4 mois, principalement en spectroscopie, mais aussi en photométrie, polarimétrie et en interférométrie, pour observer les 3 premières étoiles Wolf-Rayet découvertes: WR 134 (WN6b), WR 135 (WC8) et WR 137 (WC7pd + O9). Chacune de ces étoiles est intéressante à sa manière, chacune présentant une variété différente de structures dans son vent. Les données spectroscopiques de cette campagne ont été réduites et analysées pour l'étoile présumée simple WR 134 pour mieux comprendre le comportement de sa variabilité périodique à long terme dans le cadre d'une étude des régions d'interactions en corotation (CIRs) qui se retrouvent dans son vent. Les résultats de cette étude sont présentés dans ce mémoire.

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.

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.

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.

Potential of a neutrino detector in the ANDES underground laboratory for geophysics and astrophysics of neutrinos

The construction of the Agua Negra tunnels that will link Argentina and Chile under the Andes, the world's longest mountain range, opens the possibility of building the first deep underground laboratory in the Southern Hemisphere. This laboratory has the acronym ANDES (Agua Negra Deep Experiment Site) and its overburden could be as large as similar to 1.7 km of rock, or 4500 mwe, providing an excellent low background environment to study physics of rare events like the ones induced by neutrinos and/or dark matter. In this paper we investigate the physics potential of a few kiloton size liquid scintillator detector, which could be constructed in the ANDES laboratory as one of its possible scientific programs. In particular, we evaluate the impact of such a detector for the studies of geoneutrinos and Galactic supernova neutrinos, assuming a fiducial volume of 3 kilotons as a reference size. We emphasize the complementary roles of such a detector to the ones of the Northern Hemisphere neutrino facilities, given the advantages of its geographical location.

Astronomy and beginning astrophysics

Mode of access: Internet.

Astronomy and general physics considered with reference to natural theology.

Bookplate of Luther Holden.

An Assessment of Professional Development for Astronomy and Physics Faculty: Expanding Our Vision of How to Support Faculty's Learning About Teaching

In this thesis, we will explore approaches to faculty instructional change in astronomy and physics. We primarily focus on professional development (PD) workshops, which are a central mechanism used within our community to help faculty improve their teaching. Although workshops serve a critical role for promoting more equitable instruction, we rarely assess them through careful consideration of how they engage faculty. To encourage a shift towards more reflective, research-informed PD, we developed the Real-Time Professional Development Observation Tool (R-PDOT), to document the form and focus of faculty's engagement during workshops. We then analyze video-recordings of faculty's interactions during the Physics and Astronomy New Faculty Workshop, focusing on instances where faculty might engage in pedagogical sense-making. Finally, we consider insights gained from our own local, team-based effort to improve a course sequence for astronomy majors. We conclude with recommendations for PD leaders and researchers.

The hemispheric asymmetry of solar activity during the last century and the solar dynamo

We believe the Babcock-Leighton process of poloidal field generation to be the main source of irregularity in the solar cycle. The random nature of this process may make the poloidal field in one hemisphere stronger than that in the other hemisphere at the end of a cycle. We expect this to induce an asymmetry in the next sunspot cycle. We look for evidence of this in the observational data and then model it theoretically with our dynamo code. Since actual polar field measurements exist only from the 1970s, we use the polar faculae number data recorded by Sheeley (1991, 2008) as a proxy of the polar field and estimate the hemispheric asymmetry of the polar field in different solar minima during the major part of the twentieth century. This asymmetry is found to have a reasonable correlation with the asymmetry of the next cycle. We then run our dynamo code by feeding information about this asymmetry at the successive minima and compare the results with observational data. We find that the theoretically computed asymmetries of different cycles compare favorably with the observational data, with the correlation coefficient being 0.73. Due to the coupling between the two hemispheres, any hemispheric asymmetry tends to get attenuated with time. The hemispheric asymmetry of a cycle either from observational data or from theoretical calculations statistically tends to be less than the asymmetry in the polar field (as inferred from the faculae data) in the preceding minimum. This reduction factor turns out to be 0.43 and 0.51 respectively in observational data and theoretical simulations.

Contribution from normal and starburst galaxies to the extragalactic gamma-ray background (EGRB)

The extragalactic diffuse emission at gamma-ray energies has interesting cosmological implications since these photons suffer little or no attenuation during their propagation from the site of origin. The emission could originate from either truly diffuse processes or from unresolved point sources such as AGNs, normal galaxies and starburst galaxies. Here, we examine the unresolved point source origin of the extragalactic gamma-ray background emission from normal galaxies and starburst galaxies. gamma-ray emission from normal galaxies is primarily coming from cosmic-ray interactions with interstellar matter and radiation (similar to 90%) along with a small contribution from discrete point sources (similar to 10%). Starburst galaxies are expected to have enhanced supernovae activity which leads to higher cosmic-ray densities, making starburst galaxies sufficiently luminous at gamma-ray energies to be detected by the current gamma-ray mission(Fermi Gamma-ray Space Telescope).