A laboratory study of water ice erosion by low-energy ions

Water ice covers the surface of various objects in the outer Solar system.Within the heliopause, surface ice is constantly bombarded and sputtered by energetic particles from the solar wind and magnetospheres. We report a laboratory investigation of the sputtering yield of water ice when irradiated at 10 K by 4 keV singly (13C+, N+, O+, Ar+) and doubly charged ions (13C2+, N2+, O2+). The experimental values for the sputtering yields are in good agreement with the prediction of a theoretical model. There is no significant difference in the yield for singly and doubly charged ions. Using these yields, we estimate the rate of water ice erosion in the outer Solar system objects due to solar wind sputtering. Temperature-programmed desorption of the ice after irradiation with 13C+ and 13C2+ demonstrated the formation of 13CO and 13CO2, with 13CO being the dominant formed species.

Physical characterization of TNOs with the James Webb Space Telescope

Studies of the physical properties of trans-Neptunian objects (TNOs) are a powerful probe into the processes of planetesimal formation and solar system evolution. James Webb Space Telescope (JWST) will provide unique new capabilities for such studies. Here, we outline where the capabilities of JWST open new avenues of investigation, potentially valuable observations and surveys, and conclude with a discussion of community actions that may serve to enhance the eventual science return of JWST's TNO observations.

Elliptical dust growth in astrophysical plasmas

Elongated dust grains exist in astrophysical plasmas. Anisotropic growth of elliptical dust grains, via plasma deposition, occurs if the deposited ions are non-inertial. In reality the extent of such growth depends upon the initial kinetic energy of the ions and the magnitude of the electric field in the sheath. Simulations of the dynamics of the ions in the sheath are reported, showing how elliptical growth is related to the initial eccentricity and size of the seed relative to the sheath length. Consequences for the eventual fate of elliptical dust are then discussed.

Inhomogeneous cloud coverage through the Coulomb explosion of dust in substellar atmospheres

Context. Recent observations of brown dwarf spectroscopic variability in the infrared infer the presence of patchy cloud cover. Aims. This paper proposes a mechanism for producing inhomogeneous cloud coverage due to the depletion of cloud particles through the Coulomb explosion of dust in atmospheric plasma regions. Charged dust grains Coulomb-explode when the electrostatic stress of the grain exceeds its mechanical tensile stress, which results in grains below a critical radius a < a Coul crit being broken up. Methods. This work outlines the criteria required for the Coulomb explosion of dust clouds in substellar atmospheres, the effect on the dust particle size distribution function, and the resulting radiative properties of the atmospheric regions. Results. Our results show that for an atmospheric plasma region with an electron temperature of Te = 10 eV (≈105 K), the critical grain radius varies from 10−7 to 10−4 cm, depending on the grains’ tensile strength. Higher critical radii up to 10−3 cm are attainable for higher electron temperatures. We find that the process produces a bimodal particle size distribution composed of stable nanoscale seed particles and dust particles with a ≥ a Coul crit , with the intervening particle sizes defining a region devoid of dust. As a result, the dust population is depleted, and the clouds become optically thin in the wavelength range 0.1–10 μm, with a characteristic peak that shifts to higher wavelengths as more sub-micrometer particles are destroyed. Conclusions. In an atmosphere populated with a distribution of plasma volumes, this will yield regions of contrasting radiative properties, thereby giving a source of inhomogeneous cloud coverage. The results presented here may also be relevant for dust in supernova remnants and protoplanetary disks.

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.

Critical core mass for enriched envelopes: the role of H2O condensation

Context. Within the core accretion scenario of planetary formation, most simulations performed so far always assume the accreting envelope to have a solar composition. From the study of meteorite showers on Earth and numerical simulations, we know that planetesimals must undergo thermal ablation and disruption when crossing a protoplanetary envelope. Thus, once the protoplanet has acquired an atmosphere, not all planetesimals reach the core intact, i.e. the primordial envelope (mainly H and He) gets enriched in volatiles and silicates from the planetesimals. This change of envelope composition during the formation can have a significant effect on the final atmospheric composition and on the formation timescale of giant planets. Aims. We investigate the physical implications of considering the envelope enrichment of protoplanets due to the disruption of icy planetesimals during their way to the core. Particular focus is placed on the effect on the critical core mass for envelopes where condensation of water can occur. Methods. Internal structure models are numerically solved with the implementation of updated opacities for all ranges of metallicities and the software Chemical Equilibrium with Applications to compute the equation of state. This package computes the chemical equilibrium for an arbitrary mixture of gases and allows the condensation of some species, including water. This means that the latent heat of phase transitions is consistently incorporated in the total energy budget. Results. The critical core mass is found to decrease significantly when an enriched envelope composition is considered in the internal structure equations. A particularly strong reduction of the critical core mass is obtained for planets whose envelope metallicity is larger than Z approximate to 0.45 when the outer boundary conditions are suitable for condensation of water to occur in the top layers of the atmosphere. We show that this effect is qualitatively preserved even when the atmosphere is out of chemical equilibrium. Conclusions. Our results indicate that the effect of water condensation in the envelope of protoplanets can severely affect the critical core mass, and should be considered in future studies.

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.

The IUE INES System: Improved data extraction procedures for IUE

We present the extraction and processing of the IUE Low Dispersion spectra within the framework of the ESA “IUE Newly Extracted Spectra” (INES) System. Weak points of SWET, the optimal extraction implementation to produce the NEWSIPS output products (extracted spectra) are discussed, and the procedures implemented in INES to solve these problems are outlined. The more relevant modifications are: 1) the use of a new noise model, 2) a more accurate representation of the spatial profile of the spectrum and 3) a more reliable determination of the background. The INES extraction also includes a correction for the contamination by solar light in long wavelength spectra. Examples showing the improvements obtained in INES with respect to SWET are described. Finally, the linearity and repeatability characteristics of INES data are evaluated and the validity of the errors provided in the extraction is discussed.

Significant Dot: The 1769 transit of Venus - a tale of astronomy, medicine and empire

This article places the 6 June 2012 transit of Venus in the context of James Cook’s voyage from England to the South Pacific to observe the 1769 transit of Venus. A description is given on how to use a computer program called Stellarium to ‘observe’ the 1769 transit of Venus exactly as Cook saw it from the island of Tahiti in the South Pacific.

Pilot evaluation of an adolescent risk and injury prevention programme incorporating curriculum and school connectedness components

School connectedness is an important protective factor for adolescent risk-taking behaviour. This study examined a pilot version of the Skills for Preventing Injury in Youth (SPIY) programme, combining teacher professional development for increasing school connectedness (connectedness component) with a risk and injury prevention curriculum for early adolescents (curriculum component). A process evaluation was conducted on the connectedness component, involving assessments of programme reach, participant receptiveness and initial use, and a preliminary impact evaluation was conducted on the combined connectedness and curriculum programme. The connectedness component was well received by teacher participants, who saw benefits for both themselves and their students. Classroom observation also showed that teachers who received professional development made use of the programme strategies. Grade 8 students who participated in the SPIY programme were less likely to report violent behaviour at six-month follow-up than were control students, and trends also suggested reduced transport injuries. The results of this research support the use of the combined SPIY connectedness and curriculum components in a large-scale effectiveness trial to assess the impact of the programme on students’ connectedness, risk-taking and associated injuries.

Randomised Evaluation of New Technologies within the Population‐Based Cervical Cancer Screening Programme in Finland: Cross‐Sectional Performance and Validity

A randomised and population-based screening design with new technologies has been applied to the organised cervical cancer screening programme in Finland. In this experiment the women invited to routine five-yearly screening are individually randomised to be screened with automation-assisted cytology, human papillomavirus (HPV) test or conventional cytology. By using the randomised design, the ultimate aim is to assess and compare the long-term outcomes of the different screening regimens. The primary aim of the current study was to evaluate, based on the material collected during the implementation phase of the Finnish randomised screening experiment, the cross-sectional performance and validity of automation-assisted cytology (Papnet system) and primary HPV DNA testing (Hybrid Capture II assay for 13 oncogenic HPV types) within service screening, in comparison to conventional cytology. The parameters of interest were test positivity rate, histological detection rate, relative sensitivity, relative specificity and positive predictive value. Also, the effect of variation in performance by screening laboratory on age-adjusted cervical cancer incidence was assessed. Based on the cross-sectional results, almost no differences were observed in the performance of conventional and automation-assisted screening. Instead, primary HPV screening found 58% (95% confidence interval 19-109%) more cervical lesions than conventional screening. However, this was mainly due to overrepresentation of mild- and moderate-grade lesions and, thus, is likely to result in overtreatment since a great deal of these lesions would never progress to invasive cancer. Primary screening with an HPV DNA test alone caused substantial loss in specificity in comparison to cytological screening. With the use of cytology triage test, the specificity of HPV screening improved close to the level of conventional cytology. The specificity of primary HPV screening was also increased by increasing the test positivity cutoff from the level recommended for clinical use, but the increase was more modest than the one gained with the use of cytology triage. The performance of the cervical cancer screening programme varied widely between the screening laboratories, but the variation in overall programme effectiveness between respective populations was more marginal from the very beginning of the organised screening activity. Thus, conclusive interpretations on the quality or success of screening should not be based on performance parameters only. In the evaluation of cervical cancer screening the outcome should be selected as closely as possible to the true measure of programme effectiveness, which is the number of invasive cervical cancers and subsequent deaths prevented in the target population. The evaluation of benefits and adverse effects of each new suggested screening technology should be performed before the technology becomes an accepted routine in the existing screening programme. At best, the evaluation is performed randomised, within the population and screening programme in question, which makes the results directly applicable to routine use.

Cluster randomised controlled trial of an infection control education and training intervention programme focusing on meticillin-resistant Staphylococcus aureus in nursing homes for older people

The aim of this cluster randomised controlled trial was to test the impact of an infection control education and training programme on meticillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) prevalence in nursing homes. Nursing homes were randomised to intervention (infection control education and training programme; N¼16) or control (usual practice continued; N¼16). Staff in intervention homes were educated and trained (0, 3 and 6 months) in the principles and implementation of good infection control practice with infection control audits conducted in all sites (0, 3, 6 and 12 months) to assess compliance with good practice. Audit scores were fed back to nursing home managers in intervention homes, together with a written report indicating where practice could be improved. Nasal swabs were taken from all consenting residents and staff at 0, 3, 6 and 12 months. The primary outcome was MRSA prevalence in residents and staff, and the secondary outcome was a change in infection control audit scores. In all, 793 residents and 338 staff were recruited at baseline. MRSA prevalence did not change during the study in residents or staff. The relative risk of a resident being colonised with MRSA in an intervention home compared with a control home at 12 months was 0.99 (95% con?dence interval: 0.69, 1.42) after adjustment for clustering. Mean infection control audit scores were signi?cantly higher in the intervention homes (82%) compared with the control homes (64%) at 12 months (P<0.0001). Consideration should be given to other approaches which may help to reduce MRSA in this setting.