Análise wavelet e modelo de manchas em curvas de luz estelares dos telescópios espaciais Kepler e CoRoT

Analogous to sunspots and solar photospheric faculae, which visibility is modulated by stellar rotation, stellar active regions consist of cool spots and bright faculae caused by the magnetic field of the star. Such starspots are now well established as major tracers used to estimate the stellar rotation period, but their dynamic behavior may also be used to analyze other relevant phenomena such as the presence of magnetic activity and its cycles. To calculate the stellar rotation period, identify the presence of active regions and investigate if the star exhibits or not differential rotation, we apply two methods: a wavelet analysis and a spot model. The wavelet procedure is also applied here to study pulsation in order to identify specific signatures of this particular stellar variability for different types of pulsating variable stars. The wavelet transform has been used as a powerful tool for treating several problems in astrophysics. In this work, we show that the time-frequency analysis of stellar light curves using the wavelet transform is a practical tool for identifying rotation, magnetic activity, and pulsation signatures. We present the wavelet spectral composition and multiscale variations of the time series for four classes of stars: targets dominated by magnetic activity, stars with transiting planets, those with binary transits, and pulsating stars. We applied the Morlet wavelet (6th order), which offers high time and frequency resolution. By applying the wavelet transform to the signal, we obtain the wavelet local and global power spectra. The first is interpreted as energy distribution of the signal in time-frequency space, and the second is obtained by time integration of the local map. Since the wavelet transform is a useful mathematical tool for nonstationary signals, this technique applied to Kepler and CoRoT light curves allows us to clearly identify particular signatures for different phenomena. In particular, patterns were identified for the temporal evolution of the rotation period and other periodicity due to active regions affecting these light curves. In addition, a beat-pattern vii signature in the local wavelet map of pulsating stars over the entire time span was also detected. The second method is based on starspots detection during transits of an extrasolar planet orbiting its host star. As a planet eclipses its parent star, we can detect physical phenomena on the surface of the star. If a dark spot on the disk of the star is partially or totally eclipsed, the integrated stellar luminosity will increase slightly. By analyzing the transit light curve it is possible to infer the physical properties of starspots, such as size, intensity, position and temperature. By detecting the same spot on consecutive transits, it is possible to obtain additional information such as the stellar rotation period in the planetary transit latitude, differential rotation, and magnetic activity cycles. Transit observations of CoRoT-18 and Kepler-17 were used to implement this model.

Análise wavelet em curvas de luz estelares de sistemas binários da missão espacial CoRoT

Binary systems are key environments to study the fundamental properties of stars. In this work, we analyze 99 binary systems identified by the CoRoT space mission. From the study of the phase diagrams of these systems, our sample is divided into three groups: those whose systems are characterized by the variability relative to the binary eclipses; those presenting strong modulations probably due to the presence of stellar spots on the surface of star; and those whose systems have variability associated with the expansion and contraction of the surface layers. For eclipsing binary stars, phase diagrams are used to estimate the classification in regard to their morphology, based on the study of equipotential surfaces. In this context, to determine the rotation period, and to identify the presence of active regions, and to investigate if the star exhibits or not differential rotation and study stellar pulsation, we apply the wavelet procedure. The wavelet transform has been used as a powerful tool in the treatment of a large number of problems in astrophysics. Through the wavelet transform, one can perform an analysis in time-frequency light curves rich in details that contribute significantly to the study of phenomena associated with the rotation, the magnetic activity and stellar pulsations. In this work, we apply Morlet wavelet (6th order), which offers high time and frequency resolution and obtain local (energy distribution of the signal) and global (time integration of local map) wavelet power spectra. Using the wavelet analysis, we identify thirteen systems with periodicities related to the rotational modulation, besides the beating pattern signature in the local wavelet map of five pulsating stars over the entire time span.

Análise wavelet em curvas de luz estelares de sistemas binários da missão espacial CoRoT

Binary systems are key environments to study the fundamental properties of stars. In this work, we analyze 99 binary systems identified by the CoRoT space mission. From the study of the phase diagrams of these systems, our sample is divided into three groups: those whose systems are characterized by the variability relative to the binary eclipses; those presenting strong modulations probably due to the presence of stellar spots on the surface of star; and those whose systems have variability associated with the expansion and contraction of the surface layers. For eclipsing binary stars, phase diagrams are used to estimate the classification in regard to their morphology, based on the study of equipotential surfaces. In this context, to determine the rotation period, and to identify the presence of active regions, and to investigate if the star exhibits or not differential rotation and study stellar pulsation, we apply the wavelet procedure. The wavelet transform has been used as a powerful tool in the treatment of a large number of problems in astrophysics. Through the wavelet transform, one can perform an analysis in time-frequency light curves rich in details that contribute significantly to the study of phenomena associated with the rotation, the magnetic activity and stellar pulsations. In this work, we apply Morlet wavelet (6th order), which offers high time and frequency resolution and obtain local (energy distribution of the signal) and global (time integration of local map) wavelet power spectra. Using the wavelet analysis, we identify thirteen systems with periodicities related to the rotational modulation, besides the beating pattern signature in the local wavelet map of five pulsating stars over the entire time span.

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.

Dynamics of coupled modes in two-section semiconductor lasers with saturable absorption

Semiconductor lasers have the potential to address a number of critical applications in advanced telecommunications and signal processing. These include applications that require pulsed output that can be obtained from self-pulsing and mode-locked states of two-section devices with saturable absorption. Many modern applications place stringent performance requirements on the laser source, and a thorough understanding of the physical mechanisms underlying these pulsed modes of operation is therefore highly desirable. In this thesis, we present experimental measurements and numerical simulations of a variety of self-pulsation phenomena in two-section semiconductor lasers with saturable absorption. Our theoretical and numerical results will be based on rate equations for the field intensities and the carrier densities in the two sections of the device, and we establish typical parameter ranges and assess the level of agreement with experiment that can be expected from our models. For each of the physical examples that we consider, our model parameters are consistent with the physical net gain and absorption of the studied devices. Following our introductory chapter, the first system that we consider is a two-section Fabry-Pérot laser. This example serves to introduce our method for obtaining model parameters from the measured material dispersion, and it also allows us to present a detailed discussion of the bifurcation structure that governs the appearance of selfpulsations in two-section devices. In the following two chapters, we present two distinct examples of experimental measurements from dual-mode two-section devices. In each case we have found that single mode self-pulsations evolve into complex coupled dualmode states following a characteristic series of bifurcations. We present optical and mode resolved power spectra as well as a series of characteristic intensity time traces illustrating this progression for each example. Using the results from our study of a twosection Fabry-Pérot device as a guide, we find physically appropriate model parameters that provide qualitative agreement with our experimental results. We highlight the role played by material dispersion and the underlying single mode self-pulsing orbits in determining the observed dynamics, and we use numerical continuation methods to provide a global picture of the governing bifurcation structure. In our concluding chapter we summarise our work, and we discuss how the presented results can inform the development of optimised mode-locked lasers for performance applications in integrated optics.

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.