Modeling the Rossiter-McLaughlin Effect: Impact of the Convective Center-to-limb Variations in the Stellar Photosphere

bservations of the Rossiter–McLaughlin (RM) effect provide information on star–planet alignments, which can inform planetary migration and evolution theories. Here, we go beyond the classical RM modeling and explore the impact of a convective blueshift that varies across the stellar disk and non-Gaussian stellar photospheric profiles. We simulated an aligned hot Jupiter with a four-day orbit about a Sun-like star and injected center-to-limb velocity (and profile shape) variations based on radiative 3D magnetohydrodynamic simulations of solar surface convection. The residuals between our modeling and classical RM modeling were dependent on the intrinsic profile width and v sin i; the amplitude of the residuals increased with increasing v sin i and with decreasing intrinsic profile width. For slowly rotating stars the center-to-limb convective variation dominated the residuals (with amplitudes of 10 s of cm s−1 to ~1 m s−1); however, for faster rotating stars the dominant residual signature was due a non-Gaussian intrinsic profile (with amplitudes from 0.5 to 9 m s−1). When the impact factor was 0, neglecting to account for the convective center-to-limb variation led to an uncertainty in the obliquity of ~10°–20°, even though the true v sin i was known. Additionally, neglecting to properly model an asymmetric intrinsic profile had a greater impact for more rapidly rotating stars (e.g., v sin i = 6 km s−1) and caused systematic errors on the order of ~20° in the measured obliquities. Hence, neglecting the impact of stellar surface convection may bias star–planet alignment measurements and consequently theories on planetary migration and evolution.

ALMA-resolved salt emission traces the chemical footprint and inner wind morphology of VY Canis Majoris

(abreviated) We aim to study the inner-wind structure (R<250 Rstar) of the well-known red supergiant VY CMa. We analyse high spatial resolution (~0".24x0".13) ALMA Science Verification (SV) data in band 7 in which four thermal emission lines of gaseous sodium chloride (NaCl) are present at high signal-to-noise ratio. For the first time, the NaCl emission in the inner wind region of VY CMa is spatially resolved. The ALMA observations reveal the contribution of up to four different spatial regions. The NaCl emission pattern is different compared to the dust continuum and TiO2 emission already analysed from the ALMA SV data. The emission can be reconciled with an axisymmetric geometry, where the lower density polar/rotation axis has a position angle of ~50 degrees measured from north to east. However, this picture can not capture the full morphological diversity, and discrete mass ejection events need to be invoked to explain localized higher-density regions. The velocity traced by the gaseous NaCl line profiles is significantly lower than the average wind terminal velocity, and much slower than some of the fastest mass ejections, signalling a wide range of characteristic speeds for the mass loss. Gaseous NaCl is detected far beyond the main dust condensation region. Realising the refractory nature of this metal halide, this hints at a chemical process preventing all NaCl from condensing onto dust grains. We show that in the case of the ratio of the surface binding temperature to the grain temperature being ~50, only some 10% of NaCl remains in gaseous form, while for lower values of this ratio thermal desorption efficiently evaporates NaCl. Photodesorption by stellar photons seems not to be a viable explanation for the detection of gaseous NaCl at 220 Rstar from the central star, and instead, we propose shock-induced sputtering driven by localized mass ejection events as alternative.

Calculs de modèles d'atmosphères hors-ETL avec métaux pour les étoiles de type sdO : le cas particulier de SDSS J1600+0748

Nous présentons nos grilles de modèles d'atmosphères pour les étoiles sous-naines chaudes de type O (sdO) soit : des modèles classiques hors-ETL H, He, des modèles hors-ETL avec, en plus, du C, N, O et finalement des modèles incluant C, N, O, Fe. En utilisant les raies de Balmer et d'hélium dans le domaine du visible, nous avons fait des comparaisons entre les spectres théoriques de nos différentes grilles afin de caractériser les effets des métaux. On trouve que ces effets dépendent à la fois de la température et de la gravité. De plus, l'abondance d'hélium a une influence importante sur les effets des métaux; une abondance d'hélium faible (log N(He)/N(H) < -1,5) occasionne des effets assez importants alors qu'une abondance plus élevée tend à réduire ces mêmes effets. Nous avons aussi trouvé que l'ajout du fer (en abondance solaire) ne cause que des changements relativement faibles à la structure en température et, par le fait même, aux profils des raies d'hydrogène et d'hélium, par rapport aux changements déjà produits par le C, N, O (en abondance solaire). Nous avons utilisé nos grilles pour faire une analyse spectroscopique du spectre à haut signal sur bruit (180) et basse résolution (9 Å) de SDSS J160043.6+074802.9 obtenu au télescope Bok. Notre meilleure ajustement a été obtenu avec notre grille de spectres synthétiques incluant C, N, O et Fe en quantité solaire, menant aux paramètres suivants : Teff = 68 500 ± 1770 K, log g = 6,09 ± 0,07, and log N(He)/N(H) = -0,64 ± 0,05, où les incertitudes proviennent uniquement de la procédure d'ajustement. Ces paramètres atmosphériques, particulièrement la valeur de l'abondance d'hélium, placent notre étoile dans une région où les effets des métaux ne sont pas très marqués.

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.

Relevé et analyse spectroscopiques d'étoiles naines blanches brillantes et riches en hydrogène

Nous présentons un relevé et une analyse spectroscopiques de plus de 1300 naines blanches brillantes (V < 17.5) et riches en hydrogène. Des spectres dans le domaine du visible avec un rapport signal-sur-bruit élevé ont été obtenus et les données ont ensuite été analysées avec notre méthode spectroscopique habituelle qui compare les profils observés des raies de Balmer à des spectres synthétiques calculés à partir de la dernière génération de modèles d’atmosphère. D’abord, nous présentons une analyse détaillée de 29 naines blanches de type DAO utilisant une nouvelle grille de modèles qui inclut du carbone, de l’azote et de l’oxygène aux abondances solaires. Nous démontrons que l’ajout de ces métaux dans les modèles d’atmosphère est essentiel pour surmonter le problème des raies de Balmer qui empêche un ajustement simultané de toutes les raies de Balmer avec des paramètres atmosphériques cohérents. Nous identifions également 18 naines blanches chaudes de type DA qui souffrent aussi du problème des raies de Balmer. Des spectres dans l’ultraviolet lointain obtenus des archives du satellite FUSE sont ensuite examinés pour démontrer qu’il existe une corrélation entre les abondances métalliques élevées et les cas du problème des raies de Balmer. Les conséquences de ces résultats pour toutes les naines blanches chaudes et riches en hydrogène sont discutées. En particulier, le scénario évolutif pour les naines blanches DAO est révisé et nous n’avons plus besoin d’évoquer l’évolution post-EHB pour expliquer la majorité des étoiles DAO. Finalement, nous élaborons un scénario dans lequel les métaux engendrent un faible vent stellaire qui expliquerait la présence d’hélium dans les étoiles DAO. Ensuite, nous présentons les résultats globaux de notre relevé, ce qui inclut une analyse spectroscopique de plus de 1200 naines blanches de type DA. En premier lieu, nous présentons le contenu spectroscopique de notre échantillon qui contient de nombreuses classifications erronées ainsi que plusieurs naines blanches de type DAB, DAZ et magnétiques. Nous discutons ensuite des nouveaux modèles d'atmosphère utilisés dans notre analyse. De plus, nous utilisons des modèles de naines M pour obtenir de meilleures valeurs des paramètres atmosphériques pour les naines blanches qui sont membres de systèmes binaires DA+dM. Certaines naines blanches uniques et quelques systèmes binaires double-dégénérées sont également analysés de manière plus détaillée. Nous examinons ensuite les propriétés globales de notre échantillon incluant la distribution de masse et la distribution de masse en fonction de la température. Nous étudions également la façon dont les nouveaux profils de raies de Balmer affectent la détermination des paramètres atmosphériques. Nous testons la précision et la robustesse de nos méthodes en comparant nos résultats avec ceux du projet SPY, dans le cadre duquel plus de 300 des mêmes naines blanches ont été analysées d'une manière complètement indépendante. Finalement, nous faisons un retour sur la bande d'instabilité des naines blanches pulsantes de type ZZ Ceti pour voir quels effets ont les nouveaux profils de raies sur la détermination de ses frontières empiriques.

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.

Time evolution of the electron density and temperature in laser-produced plasmas from YBa2Cu3O7

Laser radiation at 1.06 µm from a pulsed Nd:YAG laser was focused onto a multielement YBa2Cu3O7 target in vacuum and the plasma thus generated was studied using time-resolved spectroscopic techniques. Line broadening of the Ba I emission line at 553.5 nm was monitored as a function of time elapsed after the incidence of a laser pulse on the target. Measured line profiles of barium species were used to infer the electron density and temperature, and the time evolution of these important plasma parameters has been worked out.

Electron density and temperature measurements in a laser produced carbon plasma

Plasma generated by fundamental radiation from a Nd:YAG laser focused onto a graphite target is studied spectroscopically. Measured line profiles of several ionic species were used to infer electron temperature and density at several sections located in front of the target surface. Line intensities of successive ionization states of carbon were used for electron temperature calculations. Stark broadened profiles of singly ionized species have been utilized for electron density measurements. Electron density as well as electron temperature were studied as functions of laser irradiance and time elapsed after the incidence of laser pulse. The validity of the assumption of local thermodynamic equilibrium is discussed in light of the results obtained.

A METHOD FOR THE STUDY OF ACCRETION DISK EMISSION IN CATACLYSMIC VARIABLES. I. THE MODEL

We have developed a spectrum synthesis method for modeling the ultraviolet (UV) emission from the accretion disk from cataclysmic variables (CVs). The disk is separated into concentric rings, with an internal structure from the Wade & Hubeny disk-atmosphere models. For each ring, a wind atmosphere is calculated in the comoving frame with a vertical velocity structure obtained from a solution of the Euler equation. Using simple assumptions, regarding rotation and the wind streamlines, these one-dimensional models are combined into a single 2.5-dimensional model for which we compute synthetic spectra. We find that the resulting line and continuum behavior as a function of the orbital inclination is consistent with the observations, and verify that the accretion rate affects the wind temperature, leading to corresponding trends in the intensity of UV lines. In general, we also find that the primary mass has a strong effect on the P Cygni absorption profiles, the synthetic emission line profiles are strongly sensitive to the wind temperature structure, and an increase in the mass-loss rate enhances the resonance line intensities. Synthetic spectra were compared with UV data for two high orbital inclination nova-like CVs-RW Tri and V347 Pup. We needed to include disk regions with arbitrary enhanced mass loss to reproduce reasonably well widths and line profiles. This fact and a lack of flux in some high ionization lines may be the signature of the presence of density-enhanced regions in the wind, or alternatively, may result from inadequacies in some of our simplifying assumptions.

Tomographic Simulations of accretion disks in cataclysmic variables - Flickering and wind

Both continuum and emission line flickering are phenomena directly associated with the mass-accretion process. In this work we simulated accretion-disk Doppler maps, including the effects of winds and flickering flares. Synthetic flickering Doppler maps were calculated and the effect of the flickering parameters on the maps was explored. Jets and winds occur in many astrophysical objects where accretion disks are present. Jets are generally absent among the cataclysmic variables (CVs), but there is evidence of mass loss by wind in many objects. CVs are ideal objects to study accretion disks, and consequently to study the wind associated with these disks. We also present simulations of accretion disks, including the presence of a wind with orbital phase resolution. Synthetic Ha line profiles in the optical region were obtained and their corresponding Doppler maps were calculated. The effect of the wind simulation parameters on the wind line profiles was also explored. From this study we verified that optically thick lines and/or emission by diffuse material into the primary Roche lobe are necessary to generate single peaked line profiles, often seen in CVs. The future accounting of these effects is suggested for interpreting Doppler tomography reconstructions.

TOWARD UNDERSTANDING THE B[e] PHENOMENON. IV. MODELING OF IRAS 00470+6429

FS CMa type stars are a recently described group of objects with the B[e] phenomenon which exhibits strong emission-line spectra and strong IR excesses. In this paper, we report the first attempt for a detailed modeling of IRAS 00470+6429, for which we have the best set of observations. Our modeling is based on two key assumptions: the star has a main-sequence luminosity for its spectral type (B2) and the circumstellar (CS) envelope is bimodal, composed of a slowly outflowing disklike wind and a fast polar wind. Both outflows are assumed to be purely radial. We adopt a novel approach to describe the dust formation site in the wind that employs timescale arguments for grain condensation and a self-consistent solution for the dust destruction surface. With the above assumptions we were able to satisfactorily reproduce many observational properties of IRAS 00470+6429, including the Hi line profiles and the overall shape of the spectral energy distribution. Our adopted recipe for dust formation proved successful in reproducing the correct amount of dust formed in the CS envelope. Possible shortcomings of our model, as well as suggestions for future improvements, are discussed.

Constraining the orbital orientation of eta Carinae from H Paschen lines

During the past decade, several observational and theoretical works have provided evidence of the binary nature of eta Carinae. Nevertheless, there is still no direct determination of the orbital parameters, and the different current models give contradictory results. The orbit is, in general, assumed to coincide with the Homunculus equator although the observations are not conclusive. Among all systems, eta Car has the advantage that it is possible to observe both the direct emission of line transitions in the central source and its reflection by the Homunculus, which is dependent on the orbital inclination. In this work, we studied the orbital phase-dependent hydrogen Paschen spectra reflected by the south-east lobe of the Homunculus to constrain the orbital parameters of eta Car and determine its inclination with respect to the Homunculus axis. Assuming that the emission excess originates in the wind-wind shock region, we were able to model the latitude dependence of the spectral line profiles. For the first time, we were able to estimate the orbital inclination of eta Car with respect to the observer and to the Homunculus axis. The best fit occurs for an orbital inclination to the line of sight of i similar to 60 degrees +/- 10 degrees, and i* similar to 35 degrees +/- 10 degrees with respect to the Homunculus axis, indicating that the angular momenta of the central object and the orbit are not aligned. We were also able to fix the phase angle of conjunction as similar to -40 degrees, showing that periastron passage occurs shortly after conjunction.

TOWARD UNDERSTANDING THE B[e] PHENOMENON. III. PROPERTIES OF THE OPTICAL COUNTERPART OF IRAS 00470+6429

FS CMa type stars are a group of Galactic objects with the B[e] phenomenon. They exhibit strong emission-line spectra and infrared excesses, which are most likely due to recently formed circumstellar dust. The group content and identification criteria were described in the first two papers of the series. In this paper we report our spectroscopic and photometric observations of the optical counterpart of IRAS 00470+6429 obtained in 2003-2008. The optical spectrum is dominated by emission lines, most of which have P Cyg type profiles. We detected significant brightness variations, which may include a regular component, and variable spectral line profiles in both shape and position. The presence of a weak Li I 6708 angstrom line in the spectrum suggests that the object is most likely a binary system with a B2-B3 spectral-type primary companion of a luminosity log L/L(circle dot) = 3.9 +/- 0.3 and a late-type secondary companion. We estimate a distance toward the object to be 2.0 +/- 0.3 kpc from the Sun.

He II lambda 4686 IN eta CARINAE: COLLAPSE OF THE WIND-WIND COLLISION REGION DURING PERIASTRON PASSAGE

The periodic spectroscopic events in eta Carinae are now well established and occur near the periastron passage of two massive stars in a very eccentric orbit. Several mechanisms have been proposed to explain the variations of different spectral features, such as an eclipse by the wind-wind collision (WWC) boundary, a shell ejection from the primary star or accretion of its wind onto the secondary. All of them have problems explaining all the observed phenomena. To better understand the nature of the cyclic events, we performed a dense monitoring of eta Carinae with five Southern telescopes during the 2009 low-excitation event, resulting in a set of data of unprecedented quality and sampling. The intrinsic luminosity of the He II lambda 4686 emission line (L similar to 310 L-circle dot) just before periastron reveals the presence of a very luminous transient source of extreme UV radiation emitted in the WWC region. Clumps in the primary's wind probably explain the flare-like behavior of both the X-ray and He II lambda 4686 light curves. After a short-lived minimum, He II lambda 4686 emission rises again to a new maximum, when X-rays are still absent or very weak. We interpret this as a collapse of the WWC onto the "surface" of the secondary star, switching off the hard X-ray source and diminishing the WWC shock cone. The recovery from this state is controlled by the momentum balance between the secondary's wind and the clumps in the primary's wind.

Observational effects of stellar rotation on Be stars' disks

Be stars are known to be fast rotators. At high rotation rates a profound modification of the radiation field reaching the circumstellar environment is expected. The origin of this modification is the decrease of the effective gravity on stellar surface leading to the stellar geometrical flattening and the gravity darkening effect predicted by Von Zeipel. Making use of the radiative transfer code HDUST we discuss the consequences of such stellar rotation on the structure of Be star disks based on the Viscous Decretion Disk model. Observational predictions are also made, as SED, IR-excess and Hydrogen line profiles. The modified illumination of the circumstellar disk generates significant changes in these quantities. Ascertaining these changes is useful to set some of the fundamental parameters of the Be system and to unveil the role of stellar rotation over the stellar evolution.