Cosmic Explosions: Observations Of Infant Hydrogen-Free Supernovae Towards An Understanding Of Their Parent Systems

Radiation in the first days of supernova explosions contains rich information about physical properties of the exploding stars. In the past three years, I used the intermediate Palomar Transient Factory to conduct one-day cadence surveys, in order to systematically search for infant supernovae. I show that the one-day cadences in these surveys were strictly controlled, that the realtime image subtraction pipeline managed to deliver transient candidates within ten minutes of images being taken, and that we were able to undertake follow-up observations with a variety of telescopes within hours of transients being discovered. So far iPTF has discovered over a hundred supernovae within a few days of explosions, forty-nine of which were spectroscopically classified within twenty-four hours of discovery.

Our observations of infant Type Ia supernovae provide evidence for both the single-degenerate and double-degenerate progenitor channels. On the one hand, a low-velocity Type Ia supernova iPTF14atg revealed a strong ultraviolet pulse within four days of its explosion. I show that the pulse is consistent with the expected emission produced by collision between the supernova ejecta and a companion star, providing direct evidence for the single degenerate channel. By comparing the distinct early-phase light curves of iPTF14atg to an otherwise similar event iPTF14dpk, I show that the viewing angle dependence of the supernova-companion collision signature is probably responsible to the difference of the early light curves. I also show evidence for a dark period between the supernova explosion and the first light of the radioactively-powered light curve. On the other hand, a peculiar Type Ia supernova iPTF13asv revealed strong near-UV emission and absence of iron in the spectra within the first two weeks of explosion, suggesting a stratified ejecta structure with iron group elements confined to the slow-moving part of the ejecta. With its total ejecta mass estimated to exceed the Chandrasekhar limit, I show that the stratification and large mass of the ejecta favor the double-degenerate channel.

In a separate approach, iPTF found the first progenitor system of a Type Ib supernova iPTF13bvn in the pre-explosion HST archival mages. Independently, I used the early-phase optical observations of this supernova to constrain its progenitor radius to be no larger than several solar radii. I also used its early radio detections to derive a mass loss rate of 3e-5 solar mass per year for the progenitor right before the supernova explosion. These constraints on the physical properties of the iPTF13bvn progenitor provide a comprehensive data set to test Type Ib supernova theories. A recent HST revisit to the iPTF13bvn site two years after the supernova explosion has confirmed the progenitor system.

Moving forward, the next frontier in this area is to extend these single-object analyses to a large sample of infant supernovae. The upcoming Zwicky Transient Facility with its fast survey speed, which is expected to find one infant supernova every night, is well positioned to carry out this task.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.