The influence of magnetic field geometry on magnetars X-ray spectra

Nowadays, the analysis of the X-ray spectra of magnetically powered neutron stars or magnetars is one of the most valuable tools to gain insight into the physical processes occurring in their interiors and magnetospheres. In particular, the magnetospheric plasma leaves a strong imprint on the observed X-ray spectrum by means of Compton up-scattering of the thermal radiation coming from the star surface. Motivated by the increased quality of the observational data, much theoretical work has been devoted to develop Monte Carlo (MC) codes that incorporate the effects of resonant Compton scattering (RCS) in the modeling of radiative transfer of photons through the magnetosphere. The two key ingredients in this simulations are the kinetic plasma properties and the magnetic field (MF) configuration. The MF geometry is expected to be complex, but up to now only mathematically simple solutions (self-similar solutions) have been employed. In this work, we discuss the effects of new, more realistic, MF geometries on synthetic spectra. We use new force-free solutions [14] in a previously developed MC code [9] to assess the influence of MF geometry on the emerging spectra. Our main result is that the shape of the final spectrum is mostly sensitive to uncertain parameters of the magnetospheric plasma, but the MF geometry plays an important role on the angle-dependence of the spectra.

Abundance variations in the globular cluster M71 (NGC 6838)

Context. Abundance variations in moderately metal-rich globular clusters can give clues about the formation and chemical enrichment of globular clusters. Aims. CN, CH, Na, Mg and Al indices in spectra of 89 stars of the template metal-rich globular cluster M71 are measured and implications on internal mixing are discussed. Methods. Stars from the turn-off up to the Red Giant Branch (0.87 < log g < 4.65) observed with the GMOS multi-object spectrograph at the Gemini-North telescope are analyzed. Radial velocities, colours, effective temperatures, gravities and spectral indices are determined for the sample. Results. Previous findings related to the CN bimodality and CN-CH anticorrelation in stars of M71 are confirmed. We also find a CN-Na correlation, and Al-Na, as well as an Mg(2)-Al anticorrelation. Conclusions. A combination of convective mixing and a primordial pollution by AGB or massive stars in the early stages of globular cluster formation is required to explain the observations.

First stars XIII. Two extremely metal-poor RR Lyrae stars

Context. The chemical composition of extremely metal-poor stars (EMP stars; [Fe/H] < similar to -3) is a unique tracer of early nucleosynthesis in the Galaxy. As such stars are rare, we wish to find classes of luminous stars which can be studied at high spectral resolution. Aims. We aim to determine the detailed chemical composition of the two EMP stars CS 30317-056 and CS 22881-039, originally thought to be red horizontal-branch (RHB) stars, and compare it to earlier results for EMP stars as well as to nucleosynthesis yields from various supernova (SN) models. In the analysis, we discovered that our targets are in fact the two most metal-poor RR Lyrae stars known. Methods. Our detailed abundance analysis, taking into account the variability of the stars, is based on VLT/UVES spectra (R similar or equal to 43 000) and 1D LTE OSMARCS model atmospheres and synthetic spectra. For comparison with SN models we also estimate NLTE corrections for a number of elements. Results. We derive LTE abundances for the 16 elements O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Sr and Ba, in good agreement with earlier values for EMP dwarf, giant and RHB stars. Li and C are not detected in either star. NLTE abundance corrections are newly calculated for O and Mg and taken from the literature for other elements. The resulting abundance pattern is best matched by model yields for supernova explosions with high energy and/or significant asphericity effects. Conclusions. Our results indicate that, except for Li and C, the surface composition of EMP RR Lyr stars is not significantly affected by mass loss, mixing or diffusion processes; hence, EMP RR Lyr stars should also be useful tracers of the chemical evolution of the early Galactic halo. The observed abundance ratios indicate that these stars were born from an ISM polluted by energetic, massive (25-40 M(circle dot)) and/or aspherical supernovae, but the NLTE corrections for Sc and certain other elements do play a role in the choice of model.

Étude spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hélium de type DB et DBA

De nouveaux modèles d'atmosphère sont présentés, incluant les profils de raie d'hélium neutre améliorés de Beauchamp (1995) et le formalisme de probabilité d'occupation pour ce même atome. Ces modèles sont utilisés pour calculer une grille de spectres synthétiques correspondant à des atmosphères riches en hélium et contenant des traces d'hydrogène. Cette grille est utilisée pour déterminer les paramètres atmosphériques principaux des étoiles de notre échantillon, soient la température effective, la gravité de surface et l'abondance d'hydrogène. Notre échantillon contient des spectres visibles de haut rapport signal-sur-bruit pour 102 naines blanches riches en hélium, dont 29 ont été observés au cours de ce projet, ce qui en fait le plus grand échantillon de spectres de qualité de naines blanches riches en hélium. Des spectres synthétiques ont été calculés en utilisant différentes valeurs du paramètre α de la théorie de la longueur de mélange dans le but de calibrer empiriquement la valeur de ce paramètre pour les DB. Afin d'améliorer la précision sur les paramètres atmosphériques de quelques étoiles, nous avons utilisé des spectres couvrant la raie Hα pour mieux déterminer l'abondance d'hydrogène. Finalement, nous avons calculé la distribution de masse de notre échantillon et la fonction de luminosité des DB. La distribution de masse montre une coupure à 0.5 fois la masse solaire qui est prédite par les modèles d'évolution stellaire et dévoile une masse moyenne significativement plus élevée pour les étoiles de type DBA. La masse moyenne de l'ensemble des DB et DBA est très proche de celle des DA. La fonction de luminosité nous permet de calculer que le rapport du nombre de DB sur le nombre de DA vaut environ 25%.

Calculs de modèles d'atmosphères hors-ETL avec métaux pour les étoiles de type sdO : le cas particulier de SDSS J1600+0748

Nous présentons nos grilles de modèles d'atmosphères pour les étoiles sous-naines chaudes de type O (sdO) soit : des modèles classiques hors-ETL H, He, des modèles hors-ETL avec, en plus, du C, N, O et finalement des modèles incluant C, N, O, Fe. En utilisant les raies de Balmer et d'hélium dans le domaine du visible, nous avons fait des comparaisons entre les spectres théoriques de nos différentes grilles afin de caractériser les effets des métaux. On trouve que ces effets dépendent à la fois de la température et de la gravité. De plus, l'abondance d'hélium a une influence importante sur les effets des métaux; une abondance d'hélium faible (log N(He)/N(H) < -1,5) occasionne des effets assez importants alors qu'une abondance plus élevée tend à réduire ces mêmes effets. Nous avons aussi trouvé que l'ajout du fer (en abondance solaire) ne cause que des changements relativement faibles à la structure en température et, par le fait même, aux profils des raies d'hydrogène et d'hélium, par rapport aux changements déjà produits par le C, N, O (en abondance solaire). Nous avons utilisé nos grilles pour faire une analyse spectroscopique du spectre à haut signal sur bruit (180) et basse résolution (9 Å) de SDSS J160043.6+074802.9 obtenu au télescope Bok. Notre meilleure ajustement a été obtenu avec notre grille de spectres synthétiques incluant C, N, O et Fe en quantité solaire, menant aux paramètres suivants : Teff = 68 500 ± 1770 K, log g = 6,09 ± 0,07, and log N(He)/N(H) = -0,64 ± 0,05, où les incertitudes proviennent uniquement de la procédure d'ajustement. Ces paramètres atmosphériques, particulièrement la valeur de l'abondance d'hélium, placent notre étoile dans une région où les effets des métaux ne sont pas très marqués.

Analyse spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hydrogène(DA) : vers des modèles d'atmosphère améliorés sans paramètres libres

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange.

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.

Caractérisation photométrique et spectroscopique de compagnons sous-stellaires de faible masse autour d'étoiles de la région de formation Upper Scorpius

Suite à la découverte d’environ 2000 naines brunes au cours des deux dernières décennies, on commence à bien comprendre la physique de ces objets de masse intermédiaire entre les étoiles et les planètes. Malgré tout, les modèles d’atmosphère et d’évolution de ces objets peu massifs peinent toujours à reproduire fidèlement leurs caractéristiques pour les âges les plus jeunes. Ce travail propose la caractérisation de quatre compagnons de masse sous-stellaire (8-30 MJup) en orbite à grande séparation (300-900 UA) autour d'étoiles jeunes (5 Ma) de la région de formation Upper Scorpius. De nouveaux spectres (0,9-2,5 um) et de nouvelles mesures photométriques (YJHKsL') sont présentés et analysés, dans le but de déterminer la masse, température effective, luminosité et gravité de surface de ces compagnons, tout en évaluant la fidélité avec laquelle les spectres synthétiques tirés de deux modèles d’atmosphère récents reproduisent les spectres observés.

Characterization and antimicrobial efficacy against E. coli of a helium/air plasma at atmospheric pressure created in a plastic package

A plasma source, sustained by the application of a floating high voltage (±15 kV) to parallel-plate electrodes at 50 Hz, has been achieved in a helium/air mixture at atmospheric pressure (P = 105 Pa) contained in a zip-locked plastic package placed in the electrode gap. Some of the physical and antimicrobial properties of this apparatus were established with a view to ascertain its performance as a prototype for the disinfection of fresh produce. The current–voltage (I–V) and charge–voltage (Q–V) characteristics of the system were measured as a function of gap distance d, in the range (3 × 103 ≤ Pd ≤ 1.0 × 104 Pa m). The electrical measurements showed this plasma source to exhibit the characteristic behaviour of a dielectric barrier discharge in the filamentary mode and its properties could be accurately interpreted by the two-capacitance in series model. The power consumed by the discharge and the reduced field strength were found to decrease quadratically from 12.0 W to 4.5 W and linearly from 140 Td to 50 Td, respectively, in the range studied. Emission spectra of the discharge were recorded on a relative intensity scale and the dominant spectral features could be assigned to strong vibrational bands in the 2+ and 1− systems of N2 and ${\rm N}_2^+$ , respectively, with other weak signatures from the NO and OH radicals and the N+, He and O atomic species. Absolute spectral intensities were also recorded and interpreted by comparison with the non-equilibrium synthetic spectra generated by the computer code SPECAIR. At an inter-electrode gap of 0.04 m, this comparison yielded typical values for the electron, vibrational and translational (gas) temperatures of (4980 ± 100) K, (2700 ± 200) K and (300 ± 100) K, respectively and an electron density of 1.0 × 1017 m−3. A Boltzmann plot also provided a value of (3200 ± 200 K) for the vibrational temperature. The antimicrobial efficacy was assessed by studying the resistance of both Escherichia coli K12 its isogenic mutants in soxR, soxS, oxyR, rpoS and dnaK selected to identify possible cellular responses and targets related with 5 min exposure to the active gas in proximity of, but not directly in, the path of the discharge filaments. Both the parent strain and mutants populations were significantly reduced by more than 1.5 log cycles in these conditions, showing the potential of the system. Post-treatment storage studies showed that some transcription regulators and specific genes related to oxidative stress play an important role in the E. coli repair mechanism and that plasma exposure affects specific cell regulator systems.

A METHOD FOR THE STUDY OF ACCRETION DISK EMISSION IN CATACLYSMIC VARIABLES. I. THE MODEL

We have developed a spectrum synthesis method for modeling the ultraviolet (UV) emission from the accretion disk from cataclysmic variables (CVs). The disk is separated into concentric rings, with an internal structure from the Wade & Hubeny disk-atmosphere models. For each ring, a wind atmosphere is calculated in the comoving frame with a vertical velocity structure obtained from a solution of the Euler equation. Using simple assumptions, regarding rotation and the wind streamlines, these one-dimensional models are combined into a single 2.5-dimensional model for which we compute synthetic spectra. We find that the resulting line and continuum behavior as a function of the orbital inclination is consistent with the observations, and verify that the accretion rate affects the wind temperature, leading to corresponding trends in the intensity of UV lines. In general, we also find that the primary mass has a strong effect on the P Cygni absorption profiles, the synthetic emission line profiles are strongly sensitive to the wind temperature structure, and an increase in the mass-loss rate enhances the resonance line intensities. Synthetic spectra were compared with UV data for two high orbital inclination nova-like CVs-RW Tri and V347 Pup. We needed to include disk regions with arbitrary enhanced mass loss to reproduce reasonably well widths and line profiles. This fact and a lack of flux in some high ionization lines may be the signature of the presence of density-enhanced regions in the wind, or alternatively, may result from inadequacies in some of our simplifying assumptions.

Magnetic activity and differential rotation in the young Sun-like stars KIC 7985370 and KIC 7765135

Aims. We present a detailed study of the two Sun-like stars KIC 7985370 and KIC 7765135, to determine their activity level, spot distribution, and differential rotation. Both stars were previously discovered by us to be young stars and were observed by the NASA Kepler mission. Methods. The fundamental stellar parameters (vsini, spectral type, T_eff, log g, and [Fe/H]) were derived from optical spectroscopy by comparison with both standard-star and synthetic spectra. The spectra of the targets allowed us to study the chromospheric activity based on the emission in the core of hydrogen Hα and Ca ii infrared triplet (IRT) lines, which was revealed by the subtraction of inactive templates. The high-precision Kepler photometric data spanning over 229 days were then fitted with a robust spot model. Model selection and parameter estimation were performed in a Bayesian manner, using a Markov chain Monte Carlo method. Results. We find that both stars are Sun-like (of G1.5 V spectral type) and have an age of about 100–200 Myr, based on their lithium content and kinematics. Their youth is confirmed by their high level of chromospheric activity, which is comparable to that displayed by the early G-type stars in the Pleiades cluster. The Balmer decrement and flux ratio of their Ca ii-IRT lines suggest that the formation of the core of these lines occurs mainly in optically thick regions that are analogous to solar plages. The spot model applied to the Kepler photometry requires at least seven persistent spots in the case of KIC 7985370 and nine spots in the case of KIC 7765135 to provide a satisfactory fit to the data. The assumption of the longevity of the star spots, whose area is allowed to evolve with time, is at the heart of our spot-modelling approach. On both stars, the surface differential rotation is Sun-like, with the high-latitude spots rotating slower than the low-latitude ones. We found, for both stars, a rather high value of the equator-to-pole differential rotation (dΩ ≈ 0.18 rad d^-1), which disagrees with the predictions of some mean-field models of differential rotation for rapidly rotating stars. Our results agree instead with previous works on solar-type stars and other models that predict a higher latitudinal shear, increasing with equatorial angular velocity, that can vary during the magnetic cycle.

Testing quasar unification: radiative transfer in clumpy winds

Various unification schemes interpret the complex phenomenology of quasars and luminous active galactic nuclei (AGN) in terms of a simple picture involving a central black hole, an accretion disc and an associated outflow. Here, we continue our tests of this paradigm by comparing quasar spectra to synthetic spectra of biconical disc wind models, produced with our state-of-the-art Monte Carlo radiative transfer code. Previously, we have shown that we could produce synthetic spectra resembling those of observed broad absorption line (BAL) quasars, but only if the X-ray luminosity was limited to 1043 erg s-1. Here, we introduce a simple treatment of clumping, and find that a filling factor of ˜0.01 moderates the ionization state sufficiently for BAL features to form in the rest-frame UV at more realistic X-ray luminosities. Our fiducial model shows good agreement with AGN X-ray properties and the wind produces strong line emission in, e.g., Lyα and C IV 1550 Å at low inclinations. At high inclinations, the spectra possess prominent LoBAL features. Despite these successes, we cannot reproduce all emission lines seen in quasar spectra with the correct equivalent-width ratios, and we find an angular dependence of emission line equivalent width despite the similarities in the observed emission line properties of BAL and non-BAL quasars. Overall, our work suggests that biconical winds can reproduce much of the qualitative behaviour expected from a unified model, but we cannot yet provide quantitative matches with quasar properties at all viewing angles. Whether disc winds can successfully unify quasars is therefore still an open question.

The type Iax supernova, SN 2015H: A white dwarf deflagration candidate

We present results based on observations of SN 2015H which belongs to the small group of objects similar to SN 2002cx, otherwise known as type Iax supernovae. The availability of deep pre-explosion imaging allowed us to place tight constraints on the explosion epoch. Our observational campaign began approximately one day post-explosion, and extended over a period of about 150 days post maximum light, making it one of the best observed objects of this class to date. We find a peak magnitude of M_r = -17.27± 0.07, and a (Δm₁₅)_r = 0.69 ± 0.04. Comparing our observations to synthetic spectra generated from simulations of deflagrations of Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs, we find reasonable agreement with models of weak deflagrations that result in the ejection of ∼0.2 M_⊙ of material containing ∼0.07 M_⊙ of ⁵⁶Ni. The model light curve however, evolves more rapidly than observations, suggesting that a higher ejecta mass is to be favoured. Nevertheless, empirical modelling of the pseudo-bolometric light curve suggests that ≲ 0.6 M_⊙ of material was ejected, implying that the white dwarf is not completely disrupted, and that a bound remnant is a likely outcome.

Pulling Back the Veil: The Characterization and Habitability of Enshrouded Worlds

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

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.