High precision astrometry mission for the detection and characterization of nearby habitable planetary systems with the Nearby Earth Astrometric Telescope (NEAT)

A complete census of planetary systems around a volume-limited sample of solar-type stars (FGK dwarfs) in the Solar neighborhood (d a parts per thousand currency signaEuro parts per thousand 15 pc) with uniform sensitivity down to Earth-mass planets within their Habitable Zones out to several AUs would be a major milestone in extrasolar planets astrophysics. This fundamental goal can be achieved with a mission concept such as NEAT-the Nearby Earth Astrometric Telescope. NEAT is designed to carry out space-borne extremely-high-precision astrometric measurements at the 0.05 mu as (1 sigma) accuracy level, sufficient to detect dynamical effects due to orbiting planets of mass even lower than Earth's around the nearest stars. Such a survey mission would provide the actual planetary masses and the full orbital geometry for all the components of the detected planetary systems down to the Earth-mass limit. The NEAT performance limits can be achieved by carrying out differential astrometry between the targets and a set of suitable reference stars in the field. The NEAT instrument design consists of an off-axis parabola single-mirror telescope (D = 1 m), a detector with a large field of view located 40 m away from the telescope and made of 8 small movable CCDs located around a fixed central CCD, and an interferometric calibration system monitoring dynamical Young's fringes originating from metrology fibers located at the primary mirror. The mission profile is driven by the fact that the two main modules of the payload, the telescope and the focal plane, must be located 40 m away leading to the choice of a formation flying option as the reference mission, and of a deployable boom option as an alternative choice. The proposed mission architecture relies on the use of two satellites, of about 700 kg each, operating at L2 for 5 years, flying in formation and offering a capability of more than 20,000 reconfigurations. The two satellites will be launched in a stacked configuration using a Soyuz ST launch vehicle. The NEAT primary science program will encompass an astrometric survey of our 200 closest F-, G- and K-type stellar neighbors, with an average of 50 visits each distributed over the nominal mission duration. The main survey operation will use approximately 70% of the mission lifetime. The remaining 30% of NEAT observing time might be allocated, for example, to improve the characterization of the architecture of selected planetary systems around nearby targets of specific interest (low-mass stars, young stars, etc.) discovered by Gaia, ground-based high-precision radial-velocity surveys, and other programs. With its exquisite, surgical astrometric precision, NEAT holds the promise to provide the first thorough census for Earth-mass planets around stars in the immediate vicinity of our Sun.

Chemically tagging the Hyades Supercluster. A homogeneous sample of F6-K4 kinematically selected northern stars

Stellar kinematic groups are kinematical coherent groups of stars that might have a common origin. These groups are dispersed throughout the Galaxy over time by the tidal effects of both Galactic rotation and disc heating, although their chemical content remains unchanged. The aim of chemical tagging is to establish that the abundances of every element in the analysis are homogeneus among the members. We study the case of the Hyades Supercluster to compile a reliable list of members (FGK stars) based on our chemical tagging analysis. For a total of 61 stars from the Hyades Supercluster, stellar atmospheric parameters (T_eff, log g, ξ, and [Fe/H]) are determined using our code called StePar, which is based on the sensitivity to the stellar atmospheric parameters of the iron EWs measured in the spectra. We derive the chemical abundances of 20 elements and find that their [X/Fe] ratios are consistent with Galactic abundance trends reported in previous studies. The chemical tagging method is applied with a carefully developed differential abundance analysis of each candidate member of the Hyades Supercluster, using a well-known member of the Hyades cluster as a reference (vB 153). We find that only 28 stars (26 dwarfs and 2 giants) are members, i.e. that 46% of our candidates are members based on the differential abundance analysis. This result confirms that the Hyades Supercluster cannot originate solely from the Hyades cluster.

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.

The type Iax supernova, SN 2015H: A white dwarf deflagration candidate

We present results based on observations of SN 2015H which belongs to the small group of objects similar to SN 2002cx, otherwise known as type Iax supernovae. The availability of deep pre-explosion imaging allowed us to place tight constraints on the explosion epoch. Our observational campaign began approximately one day post-explosion, and extended over a period of about 150 days post maximum light, making it one of the best observed objects of this class to date. We find a peak magnitude of M_r = -17.27± 0.07, and a (Δm₁₅)_r = 0.69 ± 0.04. Comparing our observations to synthetic spectra generated from simulations of deflagrations of Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs, we find reasonable agreement with models of weak deflagrations that result in the ejection of ∼0.2 M_⊙ of material containing ∼0.07 M_⊙ of ⁵⁶Ni. The model light curve however, evolves more rapidly than observations, suggesting that a higher ejecta mass is to be favoured. Nevertheless, empirical modelling of the pseudo-bolometric light curve suggests that ≲ 0.6 M_⊙ of material was ejected, implying that the white dwarf is not completely disrupted, and that a bound remnant is a likely outcome.

The crowded magnetosphere of the post-common-envelope binary QS Virginis

We present high-speed photometry and high-resolution spectroscopy of the eclipsing post-common-envelope binary QS Virginis (QS Vir). Our Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph (UVES) spectra span multiple orbits over more than a year and reveal the presence of several large prominences passing in front of both the M star and its white dwarf companion, allowing us to triangulate their positions. Despite showing small variations on a time-scale of days, they persist for more than a year and may last decades. One large prominence extends almost three stellar radii from the M star. Roche tomography reveals that the M star is heavily spotted and that these spots are long-lived and in relatively fixed locations, preferentially found on the hemisphere facing the white dwarf. We also determine precise binary and physical parameters for the system. We find that the 14 220 ± 350 K white dwarf is relatively massive, 0.782 ± 0.013 M⊙, and has a radius of 0.010 68 ± 0.000 07 R⊙, consistent with evolutionary models. The tidally distorted M star has a mass of 0.382 ± 0.006 M⊙ and a radius of 0.381 ± 0.003 R⊙, also consistent with evolutionary models. We find that the magnesium absorption line from the white dwarf is broader than expected. This could be due to rotation (implying a spin period of only ˜700 s), or due to a weak (˜100 kG) magnetic field, we favour the latter interpretation. Since the M star's radius is still within its Roche lobe and there is no evidence that it is overinflated, we conclude that QS Vir is most likely a pre-cataclysmic binary just about to become semidetached.

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.

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.

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.

Modified Einstein's gravity as a possible missing link between sub- and super-Chandrasekhar type Ia supernovae

We explore the effect of modification to Einstein's gravity in white dwarfs for the first time in the literature, to the best of our knowledge. This leads to significantly sub- and super-Chandrasekhar limiting masses of white dwarfs, determined by a single model parameter. On the other hand, type Ia supernovae (SNeIa), a key to unravel the evolutionary history of the universe, are believed to be triggered in white dwarfs having mass close to the Chandrasekhar limit. However, observations of several peculiar, under- and over-luminous SNeIa argue for exploding masses widely different from this limit. We argue that explosions of the modified gravity induced sub- and super-Chandrasekhar limiting mass white dwarfs result in under- and over-luminous SNeIa respectively, thus unifying these two apparently disjoint sub-classes and, hence, serving as a missing link. Our discovery raises two fundamental questions. Is the Chandrasekhar limit unique? Is Einstein's gravity the ultimate theory for understanding astronomical phenomena? Both the answers appear to be no!

ULTRACAM photometry of the eclipsing cataclysmic variable OU Vir

We present high-speed, three-colour photometry of the faint eclipsing cataclysmic variable OU Vir. For the first time in OU Vir, separate eclipses of the white dwarf and the bright spot have been observed. We use timings of these eclipses to derive a purely photometric model of the system, obtaining a mass ratio of q=0.175+/-0.025, an inclination of i=79.degrees2+/-0.degrees7 and a disc radius of R-d/a=0.2315+/-0.0150. We separate the white dwarf eclipse from the light curve and, by fitting a blackbody spectrum to its flux in each passband, obtain a white dwarf temperature of T=13900+/-600 K and a distance of D=51+/-17 pc. Assuming that the primary obeys the Nauenberg mass-radius relation for white dwarfs and allowing for temperature effects, we also find a primary mass M-w/M-circle dot=0.89+/-0.20, a primary radius R-w/R-circle dot=0.0097+/-0.0031 and an orbital separation a/R-circle dot=0.74+/-0.05.

Pulsating or not? A search for hidden pulsations below the red edge of the ZZ Ceti instability strip

The location of the red edge of the ZZ Ceti instability strip is defined observationally as being the lowest temperature for which a white dwarf with a H-rich atmosphere (DA) is known to exhibit periodic brightness variations. Whether this cut-off in flux variations is actually due to a cessation of pulsation or merely due to the attenuation of any variations by the convection zone, rendering them invisible, is not clear. The latter is a theoretical possibility because with decreasing effective temperature, the emergent flux variations become an ever smaller fraction of the amplitude of the flux variations in the interior. In contrast to the flux variations, the visibility of the velocity variations associated with the pulsations is not thought to be similarly affected. Thus, models imply that were it still pulsating, a white dwarf just below the observed red edge should show velocity variations. In order to test this possibility, we used time-resolved spectra of three DA white dwarfs that do not show photometric variability, but which have derived temperatures only slightly lower than the coolest ZZ Ceti variables. We find that none of our three targets show significant periodic velocity variations, and set 95% confidence limits on amplitudes of 3.0, 5.2, and 8.8 km s(-1). Thus, for two out of our three objects, we can rule out velocity variations as large as 5.4 km s(-1) observed for the strongest mode in the cool white dwarf pulsator ZZ Psc. In order to verify our procedures, we also examined similar data of a known ZZ Ceti, HL Tau 76. Applying external information from the light curve, we detect significant velocity variations for this object with amplitudes of up to 4 km s(-1). Our results suggest that substantial numbers of pulsators having large velocity amplitudes do not exist below the observed photometric red edge and that the latter probably reflects a real termination of pulsations.

WD 0346+246: A very low luminosity, cool degenerate in Taurus

We report the serendipitous discovery of a new, very low luminosity, cool degenerate in the region of Taurus. The object was found as a very high proper-motion star (mu = 1.'' 3 yr(-1)) on seven I-band UK Schmidt Telescope plates, dating from 1987 to 1994, via digitized scans from the new, fast, high-precision microdensitometer SuperCOSMOS. Photometry and spectrophotometry indicate that the object has a temperature comparable to those of the handful of coolest white dwarfs currently known (T similar to 3900 K). We discuss the relevance of this discovery to current research concerning Galactic structure and evolution.

Delay times and rates for Type Ia supernovae and thermonuclear explosions from double-detonation sub-Chandrasekhar mass models

We present theoretical delay times and rates of thermonuclear explosions that are thought to produce Type Ia supernovae (SNe Ia), including the double-detonation sub-Chandrasekhar mass model, using the population synthesis binary evolution code startrack. If detonations of sub-Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs following a detonation in an accumulated layer of helium on the white dwarf's surface ('double-detonation' models) are able to produce thermonuclear explosions which are characteristically similar to those of SNe Ia, then these sub-Chandrasekhar mass explosions may account for at least some substantial fraction of the observed SN Ia rate. Regardless of whether all double-detonations look like 'normal' SNe Ia, in any case the explosions are expected to be bright and thus potentially detectable. Additionally, we find that the delay time distribution of double-detonation sub-Chandrasekhar mass SNe Ia can be divided into two distinct formation channels: the 'prompt' helium-star channel with delay times

Double-detonation sub-Chandrasekhar supernovae: Can minimum helium shell masses detonate the core?

The explosion of sub-Chandrasekhar mass white dwarfs via the double detonation scenario is a potential explanation for type Ia supernovae. In this scenario, a surface detonation in a helium layer initiates a detonation in the underlying carbon/oxygen core leading to an explosion. For a given core mass, a lower bound has been determined on the mass of the helium shell required for dynamical burning during a helium flash, which is a necessary prerequisite for detonation. For a range of core and corresponding minimum helium shell masses, we investigate whether an assumed surface helium detonation is capable of triggering a subsequent detonation in the core even for this limiting case. We carried out hydrodynamic simulations on a co-expanding Eulerian grid in two dimensions assuming rotational symmetry. The detonations are propagated using the level-set approach and a simplified scheme for nuclear reactions that has been calibrated with a large nuclear network. The same network is used to determine detailed nucleosynthetic abundances in a post-processing step. Based on approximate detonation initiation criteria in the literature, we find that secondary core detonations are triggered for all of the simulated models, ranging in core mass from 0.810 up to 1.385 M? with corresponding shell masses from 0.126 down to 0.0035 M?. This implies that, as soon as a detonation triggers in a helium shell covering a carbon/oxygen white dwarf, a subsequent core detonation is virtually inevitable.

Constraining type Ia supernova models:SN 2011fe as A test case

The nearby supernova SN 2011fe can be observed in unprecedented detail. Therefore, it is an important test case for Type Ia supernova (SN Ia) models, which may bring us closer to understanding the physical nature of these objects. Here, we explore how available and expected future observations of SN 2011fe can be used to constrain SN Ia explosion scenarios. We base our discussion on three-dimensional simulations of a delayed detonation in a Chandrasekhar-mass white dwarf and of a violent merger of two white dwarfs (WDs) - realizations of explosion models appropriate for two of the most widely discussed progenitor channels that may give rise to SNe Ia. Although both models have their shortcomings in reproducing details of the early and near-maximum spectra of SN 2011fe obtained by the Nearby Supernova Factory (SNfactory), the overall match with the observations is reasonable. The level of agreement is slightly better for the merger, in particular around maximum, but a clear preference for one model over the other is still not justified. Observations at late epochs, however, hold promise for discriminating the explosion scenarios in a straightforward way, as a nucleosynthesis effect leads to differences in the Co production. SN 2011fe is close enough to be followed sufficiently long to study this effect. © © 2012 The American Astronomical Society. All rights reserved.