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.

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.

Modèles d'atmosphères hors-ETL avec métaux : applications aux étoiles sous-naines chaudes

Avec la mise en place dans les dernières années d'une grappe d'ordinateurs (CALYS) dédiés aux calculs de modèles stellaires pour notre groupe de recherche, il nous est désormais possible d'exploiter à leur plein potentiel les modèles d'atmosphères hors équilibre thermodynamique local (HETL) en y incluant des éléments métalliques. Ce type de modèles, plutôt exigeant en temps de calcul, est toutefois essentiel pour analyser correctement les spectres d'étoiles chaudes comme les sous-naines de type O (sdO). Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse ont comme point commun l'utilisation de tels modèles d'atmosphères pour faire l'analyse spectroscopique d'étoiles sous-naines chaudes dans des contextes variés. Le coeur de cette thèse porte sur Bd+28 4211, une étoile standard de type sdO très chaude, dans laquelle le problème des raies de Balmer, qui empêche de reproduire ces dernières avec une unique, et réaliste, combinaison de paramètres atmosphériques, est bien présent. Dans un premier temps nous présentons une analyse approfondie de son spectre ultraviolet (UV). Cela nous permet de déterminer les abondances de métaux dans l'atmosphère de l'étoile et de contraindre sa température effective et sa gravité de surface. Par la suite, ces résultats servent de point de départ à l'analyse du spectre optique de l'étoile, dans lequel le problème des raies de Balmer se fait sentir. Cette analyse nous permet de conclure que l'inclusion des abondances métalliques propres à l'étoile dans les modèles d'atmosphères HETL n'est pas suffisant pour surmonter le problème des raies de Balmer. Toutefois, en y incluant des abondances dix fois solaires, nous arrivons à reproduire correctement les raies de Balmer et d'hélium présentes dans les spectres visibles lors d'un ajustement de paramètres. De plus, les paramètres résultants concordent avec ceux indiqués par le spectre UV. Nous concluons que des sources d'opacité encore inconnues ou mal modélisées sont à la source de ce problème endémique aux étoiles chaudes. Par la suite nous faisons une étude spectroscopique de Feige 48, une étoile de type sdB pulsante particulièrement importante. Nous arrivons à reproduire très bien le spectre visible de cette étoile, incluant les nombreuses raies métalliques qui s'y trouvent. Les paramètres fondamentaux obtenus pour Feige 48 corroborent ceux déjà présents dans la littérature, qui ont été obtenus avec des types de modèles d'atmosphères moins sophistiqués, ce qui implique que les effets HETL couplés à la présence de métaux ne sont pas importants dans l'atmosphère de cette étoile particulière. Nous pouvons donc affirmer que les paramètres de cette étoile sont fiables et peuvent servir de base à une future étude astérosismologique quantitative. Finalement, 38 étoiles sous-naines chaudes appartenant à l'amas globulaire omega Centauri ont été analysées afin de déterminer, outre leur température et gravité de surface, leurs abondances d'hélium et de carbone. Nous montrons qu'il existe une corrélation entre les abondances photosphériques de ces deux éléments. Nous trouvons aussi des différences entre les étoiles riches en hélium de l'amas du celles du champ. Dans leur ensemble, nos résultats remettent en question notre compréhension du mécanisme de formation des sous-naines riches en hélium.

Étude des propriétés atmosphériques et magnétiques des étoiles naines blanches froides riches en hydrogène.

Ce mémoire présente une analyse photométrique et spectroscopique d'un échantillon de 16 naines blanches magnétiques froides riches en hydrogène. L'objectif principal de cette étude est de caractériser leurs propriétés atmosphériques et magnétiques afin d'obtenir une vision d'ensemble représentative de cette population d'étoiles. Pour ce faire, il a fallu réunir le plus d'information possible sur toutes les candidates sous la forme de spectres visibles à haut signal-sur-bruit et de données photométriques. Il a également été nécessaire de mettre à jour les modèles d'atmosphère de Bergeron et al. (1992) à l'aide des avancées réalisées par Tremblay & Bergeron (2009). Les paramètres atmosphériques de chacune des étoiles ont ensuite été déterminés en modélisant les distributions d'énergie photométriques observées tandis que la topologie et l'intensité du champ magnétique ont été obtenues en comparant des spectres synthétiques magnétiques au profil d'absorption Zeeman autour de H-alpha. Qui plus est, un processus de déconvolution combinant ces deux approches a aussi été créé afin de traiter adéquatement les systèmes binaires présents dans l'échantillon. Les résultats de ces analyses sont ensuite exposés, incluant une discussion sur la possible corrélation entre les paramètres atmosphériques et les propriétés magnétiques de ces naines blanches. Finalement, cette étude démontre que les données spectroscopiques de la majorité de ces étoiles peuvent uniquement être reproduites si ces dernières se trouvent dans un système binaire composé d'une seconde naine blanche. De plus, les résultats suggèrent que le champ magnétique de ces naines blanches froides ne peut pas être d'origine fossile et doit être généré par un mécanisme physique devant encore être identifié.

The embedded cluster DBSB 48 in the nebula Hoffleit 18: Comparison with Trumpler 14

We derive fundamental parameters of the embedded cluster DBSB 48 in the southern nebula Hoffleit 18 and the very young open cluster Trumpler 14, by means of deep JHK(s) infrared photometry. We build colour-magnitude and colour-colour diagrams to derive reddening and age, based on main sequence and pre-main sequence distributions. Radial stellar density profiles are used to study cluster structure and guide photometric diagram extractions. Field-star decontamination is applied to uncover the intrinsic cluster sequences in the diagrams. Ages are inferred from K-excess fractions. A prominent pre-main sequence population is present in DBSB 48, and the K-excess fraction f(K) = 55 +/- 6% gives an age of 1.1 +/- 0.5 Myr. A mean reddening of A(Ks) = 0.9 +/- 0.03 was found, corresponding to A(v) = 8.2 +/- 0.3. The cluster CMD is consistent with the far kinematic distance of 5 kpc for Hoffleit 18. For Trumpler 14 we derived similar parameters as in previous studies in the optical, in particular an age of 1.7 +/- 0.7 Myr. The fraction of stars with infrared excess in Trumpler 14 is f(K) = 28 +/- 4%. Despite the young ages, both clusters are described by a King profile with core radii R-core = 0.46 +/- 0.05 pc and R-core = 0.35 +/- 0.04 pc, respectively, for DBSB 48 and Trumpler 14. Such cores are smaller than those of typical open clusters. Small cores are probably related to the cluster formation and/or parent molecular cloud fragmentation. In DBSB 48, the magnitude extent of the upper main sequence is Delta K-s approximate to 2 mag, while in Trumpler 14 it is Delta K-s approximate to 5 mag, consistent with the estimated ages. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

The old metal-poor open cluster ESO 92-SC05: accreted from a dwarf galaxy ?

The study of old open clusters outside the solar circle can bring constraints on formation scenarios of the outer disc. In particular, accretion of dwarf galaxies has been proposed as a likely mechanism in the area. We use BVI photometry for determining fundamental parameters of the faint open cluster ESO 92-SC05. Colour-magnitude diagrams are compared with Padova isochrones, in order to derive age, reddening and distance. We derive a reddening E(B - V) = 0.17, and an old age of similar to 6.0 Gyr. It is one of the rare open clusters known to be older than 5 Gyr. A metallicity of Z similar to 0.004 or [M/H] similar to -0.7 is found. The rather low metallicity suggests that this cluster might be the result of an accretion episode of a dwarf galaxy.

Further probing the nature of FSR 1767

With Two-Micron All-Sky Survey (2MASS) photometry and proper motions, Bonatto et al. suggested that FSR 1767 is a globular cluster (GC), while with J and K NTT/SOFI photometry Froebrich, Meusinger & Scholz concluded that it is not a star cluster. In this study, we combine previous and new evidence that are consistent with a GC. For instance, we show that the horizontal branch (HB) and red giant branch (RGB) stars, besides sharing a common proper motion, have radial density profiles that consistently follow the King`s law independently. Reddening maps around FSR 1767 are built using the bulge RGB as reference and also Schlegel`s extinction values to study local absorptions. Both approaches provide similar maps and show that FSR 1767 is not located in a dust window, which otherwise might have produced the stellar overdensity. Besides, neighbouring regions of similar reddening as FSR 1767 do not present the blue HB stars that are a conspicuous feature in the colour-magnitude diagram of FSR 1767. We report the presence of a compact group of stars located in the central parts of FSR 1767. It appears to be a detached post-collapse core, similar to those of other nearby low-luminosity GCs projected towards the bulge. We note that while the NTT/SOFI photometry of the star cluster FSR 1716 matches perfectly that from 2MASS, it shows a considerable offset for FSR 1767. We discuss the possible reasons why both photometries differ. We confirm our previous structural and photometric fundamental parameters for FSR 1767, which are consistent with a GC.

Searching for s-Process-Enhanced Metal-Poor Stars

We present preliminary results for the estimation of barium [Ba/Fe], and strontium [Sr/Fe], abundances ratios using medium-resolution spectra (1-2 angstrom). We established a calibration between the abundance ratios and line indices for Ba and Sr, using multiple regression and artificial neural network techniques. A comparison between the two techniques (showing the advantage of the latter), as well as a discussion of future work, is presented.

Chemical abundance analysis of the Be star HD 171054

In this work the results of a spectroscopic study of the southern field narrow-line Be star HD 171054 are presented. High dispersion and signal-to-noise ratio spectra allowed the estimation of the fundamental photospheric parameters such as the projected rotational velocity, effective temperature and superficial gravity from non-LTE stellar atmosphere models. From these parameters and microturbulence, the abundances of He, C, N, O, Mg, Al and Si for this object are estimated. Results show that C is depleted whereas N is overabundant compared with the sun and OB stars in the solar vicinity. Oxygen and helium are close to the solar value. Magnesium is down by 0.43 dex and aluminium and silicon are overabundant. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Alessi 95 and the short-period Cepheid SU Cassiopeiae

The parameters for the newly discovered open cluster Alessi 95 are established on the basis of available photometric and spectroscopic data, in conjunction with new observations. Colour excesses for spectroscopically observed B- and A-type stars near SU Cas follow a reddening relation described by E(U-B)/E(B-V) = 0.83 + 0.02E(B-V), implying a value of R=AV/E(B-V) ? 2.8 for the associated dust. Alessi 95 has a mean reddening of E(B-V)(B0) = 0.35 +/- 0.02 s.e., an intrinsic distance modulus of V0-MV= 8.16 +/- 0.04 s.e. (+/- 0.21 s.d.), d= 429 +/- 8 pc, and an estimated age of 108.2 yr from zero-age main sequence (ZAMS) fitting of available UBV, CCD BV, NOMAD, and Two Micron All Sky Survey JHKs observations of cluster stars. SU Cas is a likely cluster member, with an inferred space reddening of E(B-V) = 0.33 +/- 0.02 and a luminosity of < MV >=-3.15 +/- 0.07 s.e., consistent with overtone pulsation (PFM= 2.75 d), as also implied by the Cepheids light-curve parameters, rate of period increase and Hipparcos parallaxes for cluster stars. There is excellent agreement of the distance estimates for SU Cas inferred from cluster ZAMS fitting, its pulsation parallax derived from the infrared surface brightness technique and Hipparcos parallaxes, which all agree to within a few per cent.

The relationship between gamma Cassiopeiae's X-ray emission and its circumstellar environment

gamma Cas is the prototypical classical Be star and is recently best known for its variable hard X-ray emission. To elucidate the reasons for this emission, we mounted a multiwavelength campaign in 2010 centered around four XMM-Newton observations. The observational techniques included long baseline optical interferometry (LBOI) from two instruments at CHARA, photometry carried out by an automated photometric telescope and H alpha observations. Because gamma Cas is also known to be in a binary, we measured radial velocities from the H alpha line and redetermined its period as 203.55 +/- 0.20 days and its eccentricity as near zero. The LBOI observations suggest that the star's decretion disk was axisymmetric in 2010, has an system inclination angle near 45 degrees, and a larger radius than previously reported. In addition, the Be star began an "outburst" at the beginning of our campaign, made visible by a brightening and reddening of the disk during our campaign and beyond. Our analyses of the new high resolution spectra disclosed many attributes also found from spectra obtained in 2001 (Chandra) and 2004 (XMM-Newton). As well as a dominant hot (approximate to 14 keV) thermal component, the familiar attributes included: (i) a fluorescent feature of Fe K even stronger than observed at previous times; (ii) strong lines of N VII and Ne XI lines indicative of overabundances; and (iii) a subsolar Fe abundance from K-shell lines but a solar abundance from L-shell ions. We also found that two absorption columns are required to fit the continuum. While the first one maintained its historical average of 1 x 10(21) cm(-2), the second was very large and doubled to 7.4 x 10(23) cm(-2) during our X-ray observations. Although we found no clear relation between this column density and orbital phase, it correlates well with the disk brightening and reddening both in the 2010 and earlier observations. Thus, the inference from this study is that much (perhaps all?) of the X-ray emission from this source originates behind matter ejected by gamma Cas into our line of sight.

Transiting exoplanets from the CoRoT space mission XX. CoRoT-20b: A very high density, high eccentricity transiting giant planet

We report the discovery by the CoRoT space mission of a new giant planet, CoRoT-20b. The planet has a mass of 4.24 +/- 0.23 M-Jup and a radius of 0.84 +/- 0.04 R-Jup. With a mean density of 8.87 +/- 1.10 g cm(-3), it is among the most compact planets known so far. Evolutionary models for the planet suggest a mass of heavy elements of the order of 800 M-circle plus if embedded in a central core, requiring a revision either of the planet formation models or both planet evolution and structure models. We note however that smaller amounts of heavy elements are expected by more realistic models in which they are mixed throughout the envelope. The planet orbits a G-type star with an orbital period of 9.24 days and an eccentricity of 0.56. The star's projected rotational velocity is v sin i = 4.5 +/- 1.0 km s(-1), corresponding to a spin period of 11.5 +/- 3.1 days if its axis of rotation is perpendicular to the orbital plane. In the framework of Darwinian theories and neglecting stellar magnetic breaking, we calculate the tidal evolution of the system and show that CoRoT-20b is presently one of the very few Darwin-stable planets that is evolving toward a triple synchronous state with equality of the orbital, planetary and stellar spin periods.

An accurate distance scale to the extremely massive cluster Stephenson 2

Discoveries during the last two years have revealed the existence of a vast region of star formation close to the base of the Scutum Arm, where at least five clusters of red supergiants have been found. In order to understand the nature of this region, we need to determine accurate distances to the clusters. We present here the first results of an ongoing program to derive fundamental parameters (such as age, distance, etc.) to the massive cluster Stephenson 2 studying for the first time its main sequence stars.

On the nature of the galactic early-B hypergiants

Aims. Despite their importance to a number of astrophysical fields, the lifecycles of very massive stars are still poorly defined. In order to address this shortcoming, we present a detailed quantitative study of the physical properties of four early-B hypergiants (BHGs) of spectral type B1-4 Ia+; Cyg OB2 #12, ζ1 Sco, HD 190603 and BP Cru. These are combined with an analysis of their long-term spectroscopic and photometric behaviour in order to determine their evolutionary status. Methods. Quantitative analysis of UV–radio photometric and spectroscopic datasets was undertaken with a non-LTE model atmosphere code in order to derive physical parameters for comparison with apparently closely related objects, such as B supergiants (BSGs) and luminous blue variables (LBVs), and theoretical evolutionary predictions. Results. The long-term photospheric and spectroscopic datasets compiled for the early-B HGs revealed that they are remarkably stable over long periods ( ≥ 40 yrs), with the possible exception of ζ1 Sco prior to the 20th century; in contrast to the typical excursions that characterise LBVs. Quantitative analysis of ζ1 Sco, HD 190603 and BP Cru yielded physical properties intermediate between BSGs and LBVs; we therefore suggest that BHGs are the immediate descendants and progenitors (respectively) of such stars, for initial masses in the range ~30−60 M⊙. Comparison of the properties of ζ1 Sco with the stellar population of its host cluster/association NGC 6231/Sco OB1 provides further support for such an evolutionary scenario. In contrast, while the wind properties of Cyg OB2 #12 are consistent with this hypothesis, the combination of extreme luminosity and spectroscopic mass (~110 M⊙) and comparatively low temperature means it cannot be accommodated in such a scheme. Likewise, despite its co-location with several LBVs above the Humphreys-Davidson (HD) limit, the lack of long term variability and its unevolved chemistry apparently excludes such an identification. Since such massive stars are not expected to evolve to such cool temperatures, instead traversing an O4-6Ia → O4-6Ia+ → WN7-9ha pathway, the properties of Cyg OB2 #12 are therefore difficult to understand under current evolutionary paradigms. Finally, we note that as with AG Car in its cool phase, despite exceeding the HD limit, the properties of Cyg OB2 #12 imply that it lies below the Eddington limit – thus we conclude that the HD limit does not define a region of the HR diagram inherently inimical to the presence of massive stars.

On the nature of candidate luminous blue variables in M 33

Context. Luminous blue variables (LBVs) are a class of highly unstable stars that have been proposed to play a critical role in massive stellar evolution as well as being the progenitors of some of the most luminous supernovae known. However the physical processes underlying their characteristic instabilities are currently unknown. Aims. In order to provide observational constraints on this behaviour we have initiated a pilot study of the population of (candidate) LBVs in the Local Group galaxy M 33. Methods. To accomplish this we have obtained new spectra of 18 examples within M 33. These provide a baseline of ≥ 4 yr with respect to previous observations, which is well suited to identifying LBV outbursts. We also employed existing multi-epoch optical and mid-IR surveys of M 33 to further constrain the variability of the sample and search for the presence of dusty ejecta. Results. Combining the datasets reveals that spectroscopic and photometric variability appears common, although in the majority of cases further observations will be needed to distinguish between an origin for this behavour in short lived stochastic wind structure and low level photospheric pulsations or coherent long term LBV excursions. Of the known LBVs we report a hitherto unidentified excursion of M 33 Var C between 2001-5, while the transition of the WNLh star B517 to a cooler B supergiant phase between 1993−2010 implies an LBV classification. Proof-of-concept quantitative model atmosphere analysis is provided for Romano’s star; the resultant stellar parameters being consistent with the finding that the LBV excursions of this star are accompanied by changes in bolometric luminosity. The combination of temperature and luminosity of two stars, the BHG [HS80] 110A and the cool hypergiant B324, appear to be in violation of the empirical Humphreys-Davidson limit. Mid-IR observations demonstrate that a number of candidates appear associated with hot circumstellar dust, although no objects as extreme as η Car are identified. The combined dataset suggests that the criteria employed to identify candidate LBVs results in a heterogeneous sample, also containing stars demonstrating the B[e] phenomenon. Of these, a subset of optically faint, low luminosity stars associated with hot dust are of particular interest since they appear similar to the likely progenitor of SN 2008S and the 2008 NGC 300 transient (albeit suffering less intrinsic extinction). Conclusions. The results of such a multiwavelength observational approach, employing multiplexing spectrographs and supplemented with quantitative model atmosphere analysis, appears to show considerable promise in both identifying and characterising the physical properties of LBVs as well as other short lived phases of massive stellar evolution.