Imagerie à haut contraste et caractérisation d'exoplanètes par la spectroscopie intégrale de champ

Cette thèse porte sur l’amélioration des techniques d’imagerie à haut-contraste permettant la détection directe de compagnons à de faibles séparations de leur étoile hôte. Plus précisément, elle s’inscrit dans le développement du Gemini Planet Imager (GPI) qui est un instrument de deuxième génération pour les télescopes Gemini. Cette caméra utilisera un spectromètre à champ intégral (SCI) pour caractériser les compagnons détectés et pour réduire le bruit de tavelure limitant leur détection et corrigera la turbulence atmosphérique à un niveau encore jamais atteint en utilisant deux miroirs déformables dans son système d’optique adaptative (OA) : le woofer et le tweeter. Le woofer corrigera les aberrations de basses fréquences spatiales et de grandes amplitudes alors que le tweeter compensera les aberrations de plus hautes fréquences ayant une plus faible amplitude. Dans un premier temps, les performances pouvant être atteintes à l’aide des SCIs présentement en fonction sur les télescopes de 8-10 m sont investiguées en observant le compagnon de l’étoile GQ Lup à l’aide du SCI NIFS et du système OA ALTAIR installés sur le télescope Gemini Nord. La technique de l’imagerie différentielle angulaire (IDA) est utilisée pour atténuer le bruit de tavelure d’un facteur 2 à 6. Les spectres obtenus en bandes JHK ont été utilisés pour contraindre la masse du compagnon par comparaison avec les prédictions des modèles atmosphériques et évolutifs à 8−60 MJup, où MJup représente la masse de Jupiter. Ainsi, il est déterminé qu’il s’agit plus probablement d’une naine brune que d’une planète. Comme les SCIs présentement en fonction sont des caméras polyvalentes pouvant être utilisées pour plusieurs domaines de l’astrophysique, leur conception n’a pas été optimisée pour l’imagerie à haut-contraste. Ainsi, la deuxième étape de cette thèse a consisté à concevoir et tester en laboratoire un prototype de SCI optimisé pour cette tâche. Quatre algorithmes de suppression du bruit de tavelure ont été testés sur les données obtenues : la simple différence, la double différence, la déconvolution spectrale ainsi qu’un nouvel algorithme développé au sein de cette thèse baptisé l’algorithme des spectres jumeaux. Nous trouvons que l’algorithme des spectres jumeaux est le plus performant pour les deux types de compagnons testés : les compagnons méthaniques et non-méthaniques. Le rapport signal-sur-bruit de la détection a été amélioré d’un facteur allant jusqu’à 14 pour un compagnon méthanique et d’un facteur 2 pour un compagnon non-méthanique. Dernièrement, nous nous intéressons à certains problèmes liés à la séparation de la commande entre deux miroirs déformables dans le système OA de GPI. Nous présentons tout d’abord une méthode utilisant des calculs analytiques et des simulations Monte Carlo pour déterminer les paramètres clés du woofer tels que son diamètre, son nombre d’éléments actifs et leur course qui ont ensuite eu des répercussions sur le design général de l’instrument. Ensuite, le système étudié utilisant un reconstructeur de Fourier, nous proposons de séparer la commande entre les deux miroirs dans l’espace de Fourier et de limiter les modes transférés au woofer à ceux qu’il peut précisément reproduire. Dans le contexte de GPI, ceci permet de remplacer deux matrices de 1600×69 éléments nécessaires pour une séparation “classique” de la commande par une seule de 45×69 composantes et ainsi d’utiliser un processeur prêt à être utilisé plutôt qu’une architecture informatique plus complexe.

Spectro-imagerie optique à faible flux et comparaison de la cinématique Ha et HI d'un échantillon de galaxies proches

Un nouveau contrôleur de EMCCD (Electron multiplying Charge Coupled Device) est présenté. Il permet de diminuer significativement le bruit qui domine lorsque la puce EMCCD est utilisé pour du comptage de photons: le bruit d'injection de charge. À l'aide de ce contrôleur, une caméra EMCCD scientifique a été construite, caractérisée en laboratoire et testée à l'observatoire du mont Mégantic. Cette nouvelle caméra permet, entre autres, de réaliser des observations de la cinématique des galaxies par spectroscopie de champ intégral par interférométrie de Fabry-Perot en lumière Ha beaucoup plus rapidement, ou de galaxies de plus faible luminosité, que les caméras à comptage de photon basées sur des tubes amplificateurs. Le temps d'intégration nécessaire à l'obtention d'un rapport signal sur bruit donné est environ 4 fois moindre qu'avec les anciennes caméras. Les applications d'un tel appareil d'imagerie sont nombreuses: photométrie rapide et faible flux, spectroscopie à haute résolution spectrale et temporelle, imagerie limitée par la diffraction à partir de télescopes terrestres (lucky imaging), etc. D'un point de vue technique, la caméra est dominée par le bruit de Poisson pour les flux lumineux supérieurs à 0.002 photon/pixel/image. D'un autre côté, la raie d'hydrogène neutre (HI) à 21 cm a souvent été utilisée pour étudier la cinématique des galaxies. L'hydrogène neutre a l'avantage de se retrouver en quantité détectable au-delà du disque optique des galaxies. Cependant, la résolution spatiale de ces observations est moindre que leurs équivalents réalisés en lumière visible. Lors de la comparaison des données HI, avec des données à plus haute résolution, certaines différences étaient simplement attribuées à la faible résolution des observations HI. Le projet THINGS (The HI Nearby Galaxy Survey a observé plusieurs galaxies de l'échantillon SINGS (Spitzer Infrared Nearby Galaxies Survey). Les données cinématiques du projet THIGNS seront comparées aux données cinématiques obtenues en lumière Ha, afin de déterminer si la seule différence de résolution spatiale peut expliquer les différences observées. Les résultats montrent que des différences intrinsèques aux traceurs utilisées (hydrogène neutre ou ionisé), sont responsables de dissemblances importantes. La compréhension de ces particularités est importante: la distribution de la matière sombre, dérivée de la rotation des galaxies, est un test de certains modèles cosmologiques.

Détection et caractérisation de naines brunes et exoplanètes avec un filtre accordable pour applications dans l'espace

Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique.

Rapport M/L de disques de galaxies issus de modèles CSPE et contrôle des contraintes mécaniques dans la conception de revêtements optiques

La thèse qui suit est organisée en deux volets: un premier volet portant sur les modèles de masse de galaxies et un second volet sur la conception de revêtements optiques et le contrôle de leurs propriétés mécaniques. Les modèles de masse présentés dans cette thèse ont été réalisés sur un sous-échantillon de dix galaxies de l'étude SINGS comprenant neuf galaxies normales et une galaxie naine. Ce travail visait à fixer le rapport masse-luminosité du disque à tout rayon en utilisant les résultats de modèles d'évolution galactique chimio-spectrophotométriques ajustés spécifiquement à chaque galaxie grâce à son profil de photométrie multi-bandes. Les résultats montrent que les disques stellaires tels que normalisés par les rapports masse-luminosité issus des modèles ont des masses cohérentes dans toutes les bandes étudiées de l'ultra-violet, du visible ainsi que du proche infrarouge (bandes FUV à IRAC2). Ces disques peuvent être considérés comme maximaux par rapport aux données cinématiques des galaxies étudiées. Ceci est dû au fait que le rapport M/L est plus élevé au centre que sur les bords. Les disques étant maximaux et physiquement justifiés, on ne peut dès lors ignorer les effets de composants tels que les bulbes ou les barres et les corrections nécessaires doivent être apportées aux profils de luminosité et de vitesses de rotation de la galaxie. Dans les travaux de la seconde partie, le logiciel en développement libre OpenFilters a été modifié afin de tenir compte des contraintes mécaniques dans la conception numérique de revêtements optiques. Les contraintes mécaniques dans les couches minces ont un effet délétère sur leurs performances optiques. Un revêtement destiné à rendre réflectives les lames d'un étalon Fabry-Perot utilisé en astronomie a été conçu et fabriqué afin d'évaluer les performances réelles de la méthode. Ce cas a été choisi à cause de la diminution de la finesse d'un étalon Fabry-Perot apporté par la courbure des lames sous l'effet des contraintes. Les résultats montrent que les mesures concordent avec les modèles numériques et qu'il est donc possible à l'aide de ce logiciel d'optimiser les revêtements pour leur comportement mécanique autant que pour leurs propriétés optiques.

Estudo sistemático de estrelas variáveis na era dos grandes surveys

The interest in the systematic analysis of astronomical time series data, as well as development in astronomical instrumentation and automation over the past two decades has given rise to several questions of how to analyze and synthesize the growing amount of data. These data have led to many discoveries in the areas of modern astronomy asteroseismology, exoplanets and stellar evolution. However, treatment methods and data analysis have failed to follow the development of the instruments themselves, although much effort has been done. In present thesis, we propose new methods of data analysis and two catalogs of the variable stars that allowed the study of rotational modulation and stellar variability. Were analyzed the photometric databases fromtwo distinctmissions: CoRoT (Convection Rotation and planetary Transits) and WFCAM (Wide Field Camera). Furthermore the present work describes several methods for the analysis of photometric data besides propose and refine selection techniques of data using indices of variability. Preliminary results show that variability indices have an efficiency greater than the indices most often used in the literature. An efficient selection of variable stars is essential to improve the efficiency of all subsequent steps. Fromthese analyses were obtained two catalogs; first, fromtheWFCAMdatabase we achieve a catalog with 319 variable stars observed in the photometric bands Y ZJHK. These stars show periods ranging between ∼ 0, 2 to ∼ 560 days whose the variability signatures present RR-Lyrae, Cepheids , LPVs, cataclysmic variables, among many others. Second, from the CoRoT database we selected 4, 206 stars with typical signatures of rotationalmodulation, using a supervised process. These stars show periods ranging between ∼ 0, 33 to ∼ 92 days, amplitude variability between ∼ 0, 001 to ∼ 0, 5 mag, color index (J - H) between ∼ 0, 0 to ∼ 1, 4 mag and spectral type CoRoT FGKM. The WFCAM variable stars catalog is being used to compose a database of light curves to be used as template in an automatic classifier for variable stars observed by the project VVV (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) moreover it are a fundamental start point to study different scientific cases. For example, a set of 12 young stars who are in a star formation region and the study of RR Lyrae-whose properties are not well established in the infrared. Based on CoRoT results we were able to show, for the first time, the rotational modulation evolution for an wide homogeneous sample of field stars. The results are inagreement with those expected by the stellar evolution theory. Furthermore, we identified 4 solar-type stars ( with color indices, spectral type, luminosity class and rotation period close to the Sun) besides 400 M-giant stars that we have a special interest to forthcoming studies. From the solar-type stars we can describe the future and past of the Sun while properties of M-stars are not well known. Our results allow concluded that there is a high dependence of the color-period diagram with the reddening in which increase the uncertainties of the age-period realized by previous works using CoRoT data. This thesis provides a large data-set for different scientific works, such as; magnetic activity, cataclysmic variables, brown dwarfs, RR-Lyrae, solar analogous, giant stars, among others. For instance, these data will allow us to study the relationship of magnetic activitywith stellar evolution. Besides these aspects, this thesis presents an improved classification for a significant number of stars in the CoRoT database and introduces a new set of tools that can be used to improve the entire process of the photometric databases analysis

Mid-infrared filters for astronomical and remote sensing instrumentation

As improvements to the optical design of spectrometer and radiometer instruments evolve with advances in detector sensitivity, use of focal plane detector arrays and innovations in adaptive optics for large high altitude telescopes, interest in mid-infrared astronomy and remote sensing applications have been areas of progressive research in recent years. This research has promoted a number of developments in infrared coating performance, particularly by placing increased demands on the spectral imaging requirements of filters to precisely isolate radiation between discrete wavebands and improve photometric accuracy. The spectral design and construction of multilayer filters to accommodate these developments has subsequently been an area of challenging thin-film research, to achieve high spectral positioning accuracy, environmental durability and aging stability at cryogenic temperatures, whilst maximizing the far-infrared performance. In this paper we examine the design and fabrication of interference filters in instruments that utilize the mid-infrared N-band (6-15 µm) and Q-band (16-28 µm) atmospheric windows, together with a rationale for the selection of materials, deposition process, spectral measurements and assessment of environmental durability performance.

Hand and ultrasonic instrumentation for orthograde root canal treatment of permanent teeth

Root canal treatment is a frequently performed dental procedure and is carried out on teeth in which irreversible pulpitis has led to necrosis of the dental pulp. Removal of the necrotic tissue remnants and cleaning and shaping of the root canal are important phases of root canal treatment. Treatment options include the use of hand and rotary instruments and methods using ultrasonic or sonic equipment. OBJECTIVES: The objectives of this systematic review of randomized controlled trials were to determine the relative clinical effectiveness of hand instrumentation versus ultrasonic instrumentation alone or in conjunction with hand instrumentation for orthograde root canal treatment of permanent teeth. MATERIAL AND METHODS: The search strategy retrieved 226 references from the Cochrane Oral Health Group Trials Register (7), the Cochrane Central Register of Controlled Trials (CENTRAL) (12), MEDLINE (192), EMBASE (8) and LILACS (7). No language restriction was applied. The last electronic search was conducted on December 13th, 2007. Screening of eligible studies was conducted in duplicate and independently. RESULTS: Results were to be expressed as fixed-effect or random-effects models using mean differences for continuous outcomes and risk ratios for dichotomous outcomes with 95% confdence intervals. Heterogeneity was to be investigated including both clinical and methodological factors. No eligible randomized controlled trials were identifed. CONCLUSIONS: This review illustrates the current lack of published or ongoing randomized controlled trials and the unavailability of high-level evidence based on clinically relevant outcomes referring to the effectiveness of ultrasonic instrumentation used alone or as an adjunct to hand instrumentation for orthograde root canal treatment. In the absence of reliable research-based evidence, clinicians should base their decisions on clinical experience, individual circumstances and in conjunction with patients' preferences where appropriate. Future randomized controlled trials might focus more closely on evaluating the effectiveness of combinations of these interventions with an emphasis on not only clinically relevant, but also patient-centered outcomes.

Effect of ultrasonic instrumentation on the bond strength of crowns cemented with zinc phosphate cement to natural teeth. An in vitro study

Several studies have reported the benefits of sonic and/or ultrasonic instrumentation for root debridement, with most of them focusing on changes in periodontal clinical parameters. The present study investigated possible alterations in the tensile bond strength of crowns cemented with zinc phosphate cement to natural teeth after ultrasonic instrumentation. Forty recently extracted intact human third molars were selected, cleaned and stored in physiologic serum at 4°C. They received standard preparations, at a 16º convergence angle, and AgPd alloy crowns. The crowns were cemented with zinc phosphate cement and then divided into four groups of 10 teeth each. Each group was then subdivided into two subgroups, with one of the subgroups being submitted to 5,000 thermal cycles ranging from 55 ± 2 to 5 ± 2°C, while the other was not. Each group was submitted to ultrasonic instrumentation for different periods of time: group 1 - 0 min (control), group 2 - 5 min, group 3 - 10 min, and group 4 - 15 min. Tensile bond strength tests were performed with an Instron testing machine (model 4310). Statistical analysis was performed using ANOVA and Tukey's test at the 5% level of significance. A significant reduction in the tensile bond strength of crowns cemented with zinc phosphate and submitted to thermal cycles was observed at 15 min (196.75 N versus 0 min = 452.01 N, 5 min = 444.23 N and 10 min = 470.85 N). Thermal cycling and ultrasonic instrumentation for 15 min caused a significant reduction in tensile bond strength (p < .05).

Development of instrumentation for amperometric and coulometric detection using ultramicroelectrodes

In this work it is presented the development of a simple, portable and inexpensive instrumentation for amperometric and coulometric detection in different analytical instrumentation systems utilizing ultramicroelectrodes. The software, developed in LabVIEW 7.1TM, is capable to carry out three main detection techniques (amperometric, pulsed amperometric and coulometric detection) and a voltammetric technique (cyclic voltammetry). The instrumentation was successfully evaluated using the following systems: cyclic voltammograms of metallic electrodes in alkaline solutions, flow electrochemical detection of glucose and glycine and direct determination of herbicide glyphosate (electrochemical detection coupled to HPLC).

Random numbers from astronomical imaging

This article describes a method to turn astronomical imaging into a random number generator by using the positions of incident cosmic rays and hot pixels to generate bit streams. We subject the resultant bit streams to a battery of standard benchmark statistical tests for randomness and show that these bit streams are statistically the same as a perfect random bit stream. Strategies for improving and building upon this method are outlined.

Right adolescent idiopathic thoracic curve (Lenke 1 A and B): does cost of instrumentation and implant density improve radiographic and cosmetic parameters?

In adolescent idiopathic scoliosis (AIS) there has been a shift towards increasing the number of implants and pedicle screws, which has not been proven to improve cosmetic correction. To evaluate if increasing cost of instrumentation correlates with cosmetic correction using clinical photographs. 58 Lenke 1A and B cases from a multicenter AIS database with at least 3 months follow-up of clinical photographs were used for analysis. Cosmetic parameters on PA and forward bending photographs included angular measurements of trunk shift, shoulder balance, rib hump, and ratio measurements of waist line asymmetry. Pre-op and follow-up X-rays were measured for coronal and sagittal deformity parameters. Cost density was calculated by dividing the total cost of instrumentation by the number of vertebrae being fused. Linear regression and spearman`s correlation were used to correlate cost density to X-ray and photo outcomes. Three independent observers verified radiographic and cosmetic parameters for inter/interobserver variability analysis. Average pre-op Cobb angle and instrumented correction were 54A degrees (SD 12.5) and 59% (SD 25) respectively. The average number of vertebrae fused was 10 (SD 1.9). The total cost of spinal instrumentation ranged from $6,769 to $21,274 (Mean $12,662, SD $3,858). There was a weak positive and statistically significant correlation between Cobb angle correction and cost density (r = 0.33, p = 0.01), and no correlation between Cobb angle correction of the uninstrumented lumbar spine and cost density (r = 0.15, p = 0.26). There was no significant correlation between all sagittal X-ray measurements or any of the photo parameters and cost density. There was good to excellent inter/intraobserver variability of all photographic parameters based on the intraclass correlation coefficient (ICC 0.74-0.98). Our method used to measure cosmesis had good to excellent inter/intraobserver variability, and may be an effective tool to objectively assess cosmesis from photographs. Since increasing cost density only improves mildly the Cobb angle correction of the main thoracic curve and not the correction of the uninstrumented spine or any of the cosmetic parameters, one should consider the cost of increasing implant density in Lenke 1A and B curves. In the area of rationalization of health care expenses, this study demonstrates that increasing the number of implants does not improve any relevant cosmetic or radiographic outcomes.

Ar-40/-Ar-39 geochronology at the Instituto de Geociencias, USP: instrumentation, analytical procedures, and calibration

Laser heating Ar-40/Ar-39 geochronology provides high analytical precision and accuracy, mum-scale spatial resolution. and statistically significant data sets for the study of geological and planetary processes, A newly commissioned Ar-40/Ar-39 laboratory at CPGeo/USP, Sao Paulo, Brazil, equips the Brazilian scientific community with a new powerful tool applicable to the study of geological and cosmochemical processes. Detailed information about laboratory layout, environmental conditions, and instrumentation provides the necessary parameters for the evaluation of the CPGeo/USp Ar-40/Ar-39 suitability to a diverse range of applications. Details about analytical procedures, including mineral separation, irradiation at the IPEN/CNEN reactor at USP, and mass spectrometric analysis enable potential researchers to design the necessary sampling and sample preparation program suitable to the objectives of their study. Finally, the results of calibration tests using Ca and K salts and glasses, international mineral standards, and in-house mineral standards show that the accuracy and precision obtained at the Ar-40/Ar-39 laboratory at CPGeo/USP are comparable to results obtained in the most respected laboratories internationally. The extensive calibration and standardization procedures under-taken ensure that the results of analytical studies carried out in our laboratories will gain immediate international credibility, enabling Brazilian students and scientists to conduct forefront research in earth and planetary sciences.

Instrumentation used to measure residential magnetic fields and currents

The equipment used to measure magnetic fields and, electric currents in residences is described. The instrumentation consisted of current transformers, magnetic field probes and locally designed and, built signal conditioning modules. The data acquisition system was capable of unattended recording for extended time periods. The complete system was calibrated to verify its response to known physical inputs. (C) 2003 ISA-The Instrumentation Automation Society.

IX International conference on Remote Engineering and Virtual instrumentation REV 2012

THE ninth edition of the International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV) [1] was held at the Faculty of Engineering of the University of Deusto, Bilbao (Spain), from the 4th to the 6th of July, 2012. A world-class research community in the subject of remote and virtual laboratories joined the event.