Observations de pulsateurs compacts à l'aide de la caméra Mont4K CCD

Les pulsateurs compacts sont des étoiles présentant des variations intrinsèques de luminosité dont les gravités de surface sont supérieures à 100,000 cm/s² On retrouve parmi ces objets deux familles des sous-naines chaudes de type B (sdB) pulsantes et quatre familles distinctes de naines blanches pulsantes. Dans le but d'observer les pulsations de tels objets pour ensuite analyser leur propriétés grâce à l'astéroséismologie, l'Université de Montréal, en collaboration avec le Imaging Technology Laboratory (ITL - University of Arizona), a développé la caméra Mont4K (Montreal4K) CCD qui est, depuis le printemps 2007, le principal détecteur employé au télescope Kuiper de 1.55 m du Mt Bigelow (Steward Observatory, University of Arizona). à l'aide de ce montage, des observations ont été menées pour quelques-uns de ces pulsateurs compacts. La première cible fut HS 0702+6043, un pulsateur hybride. Une importante mission pour cet objet, réalisée du 1er novembre 2007 au 14 mars 2008, a permis d'identifier 28 modes de pulsations pour cet objet en plus de mettre en évidence pour certains de ces modes d'importantes variations d'amplitude. Deux autres cibles furent les naines blanches pulsantes au carbone de type « Hot DQ » SDSS J220029.08-074121.5 et SDSS J234843.30-094245.3. Il fut possible de montrer de façon indirecte la présence d'un fort champ magnétique à la surface de J220029.08-074121.5 grâce à la présence de la première harmonique du mode principal. En outre, pour ces deux cibles, on a pu conclure que celles-ci font bel et bien partie de la classe des naines blanches pulsantes au carbone.

Astérosismologie de l'étoile naine blanche variable GD 1212

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

On the use of rotational splitting asymmetries to probe the internal rotation profile of stars: Application to beta Cephei stars

Rotationally-split modes can provide valuable information about the internal rotation profile of stars. This has been used for years to infer the internal rotation behavior of the Sun. The present work discusses the potential additional information that rotationally splitting asymmetries may provide when studying the internal rotation profile of stars. We present here some preliminary results of a method, currently under development, which intends: 1) to understand the variation of the rotational splitting asymmetries in terms of physical processes acting on the angular momentum distribution in the stellar interior, and 2) how this information can be used to better constrain the internal rotation profile of the stars. The accomplishment of these two objectives should allow us to better use asteroseismology as a test-bench of the different theories describing the angular momentum distribution and evolution in the stellar interiors. (C) 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim

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

Stochastic gravito-inertial modes discovered by CoRoT in the hot Be star HD51452

Context. Be stars are rapidly rotating stars with a circumstellar decretion disk. They usually undergo pressure and/or gravity pulsation modes excited by the kappa-mechanism, i.e. an effect of the opacity of iron-peak elements in the envelope of the star. In the Milky Way, p-modes are observed in stars that are hotter than or equal to the B3 spectral type, while g-modes are observed at the B2 spectral type and cooler. Aims. We observed a B0IVe star, HD51452, with the high-precision, high-cadence photometric CoRoT satellite and high-resolution, ground-based HARPS and SOPHIE spectrographs to study its pulsations in great detail. We also used the lower resolution spectra available in the BeSS database. Methods. We analyzed the CoRoT and spectroscopic data with several methods: CLEAN-NG, FREQFIND, and a sliding window method. We also analyzed spectral quantities, such as the violet over red (V/R) emission variations, to obtain information about the variation in the circumstellar environment. We calculated a stellar structure model with the ESTER code to test the various interpretation of the results. Results. We detect 189 frequencies of variations in the CoRoT light curve in the range between 0 and 4.5 c d(-1). The main frequencies are also recovered in the spectroscopic data. In particular we find that HD51452 undergoes gravito-inertial modes that are not in the domain of those excited by the kappa-mechanism. We propose that these are stochastic modes excited in the convective zones and that at least some of them are a multiplet of r-modes (i.e. subinertial modes mainly driven by the Coriolis acceleration). Stochastically excited gravito-inertial modes had never been observed in any star, and theory predicted that their very low amplitudes would be undetectable even with CoRoT. We suggest that the amplitudes are enhanced in HD51452 because of the very rapid stellar rotation. In addition, we find that the amplitude variations of these modes are related to the occurrence of minor outbursts. Conclusions. Thanks to CoRoT data, we have detected a new kind of pulsations in HD51452, which are stochastically excited gravito-inertial modes, probably due to its very rapid rotation. These modes are probably also present in other rapidly rotating hot Be stars.

The PLATO 2.0 mission

PLATO 2.0 has recently been selected for ESA’s M3 launch opportunity (2022/24). Providing accurate key planet parameters (radius, mass, density and age) in statistical numbers, it addresses fundamental questions such as: How do planetary systems form and evolve? Are there other systems with planets like ours, including potentially habitable planets? The PLATO 2.0 instrument consists of 34 small aperture telescopes (32 with 25 s readout cadence and 2 with 2.5 s candence) providing a wide field-of-view (2232 deg 2) and a large photometric magnitude range (4–16 mag). It focusses on bright (4–11 mag) stars in wide fields to detect and characterize planets down to Earth-size by photometric transits, whose masses can then be determined by ground-based radial-velocity follow-up measurements. Asteroseismology will be performed for these bright stars to obtain highly accurate stellar parameters, including masses and ages. The combination of bright targets and asteroseismology results in high accuracy for the bulk planet parameters: 2 %, 4–10 % and 10 % for planet radii, masses and ages, respectively. The planned baseline observing strategy includes two long pointings (2–3 years) to detect and bulk characterize planets reaching into the habitable zone (HZ) of solar-like stars and an additional step-and-stare phase to cover in total about 50 % of the sky. PLATO 2.0 will observe up to 1,000,000 stars and detect and characterize hundreds of small planets, and thousands of planets in the Neptune to gas giant regime out to the HZ. It will therefore provide the first large-scale catalogue of bulk characterized planets with accurate radii, masses, mean densities and ages. This catalogue will include terrestrial planets at intermediate orbital distances, where surface temperatures are moderate. Coverage of this parameter range with statistical numbers of bulk characterized planets is unique to PLATO 2.0. The PLATO 2.0 catalogue allows us to e.g.: - complete our knowledge of planet diversity for low-mass objects, - correlate the planet mean density-orbital distance distribution with predictions from planet formation theories,- constrain the influence of planet migration and scattering on the architecture of multiple systems, and - specify how planet and system parameters change with host star characteristics, such as type, metallicity and age. The catalogue will allow us to study planets and planetary systems at different evolutionary phases. It will further provide a census for small, low-mass planets. This will serve to identify objects which retained their primordial hydrogen atmosphere and in general the typical characteristics of planets in such low-mass, low-density range. Planets detected by PLATO 2.0 will orbit bright stars and many of them will be targets for future atmosphere spectroscopy exploring their atmosphere. Furthermore, the mission has the potential to detect exomoons, planetary rings, binary and Trojan planets. The planetary science possible with PLATO 2.0 is complemented by its impact on stellar and galactic science via asteroseismology as well as light curves of all kinds of variable stars, together with observations of stellar clusters of different ages. This will allow us to improve stellar models and study stellar activity. A large number of well-known ages from red giant stars will probe the structure and evolution of our Galaxy. Asteroseismic ages of bright stars for different phases of stellar evolution allow calibrating stellar age-rotation relationships. Together with the results of ESA’s Gaia mission, the results of PLATO 2.0 will provide a huge legacy to planetary, stellar and galactic science.

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.

The Kepler-454 system: a small, not-rocky inner planet, a Jovian world, and a distant companion

Kepler-454 (KOI-273) is a relatively bright (V = 11.69 mag), Sun-like star that hosts a transiting planet candidate in a 10.6 day orbit. From spectroscopy, we estimate the stellar temperature to be 5687 ± 50 K, its metallicity to be [m/H] = 0.32 ± 0.08, and the projected rotational velocity to be v sin i <2.4 km s^-1. We combine these values with a study of the asteroseismic frequencies from short cadence Kepler data to estimate the stellar mass to be , the radius to be 1.066 ± 0.012 R_o, and the age to be Gyr. We estimate the radius of the 10.6 day planet as 2.37 ± 0.13 R_⊕. Using 63 radial velocity observations obtained with the HARPS-N spectrograph on the Telescopio Nazionale Galileo and 36 observations made with the HIRES spectrograph at the Keck Observatory, we measure the mass of this planet to be 6.8 ± 1.4 M_⊕. We also detect two additional non-transiting companions, a planet with a minimum mass of 4.46 ± 0.12 M_J in a nearly circular 524 day orbit and a massive companion with a period >10 years and mass >12.1 M_J. The 12 exoplanets with radii ⊕ and precise mass measurements appear to fall into two populations, with those ⊕ following an Earth-like composition curve and larger planets requiring a significant fraction of volatiles. With a density of 2.76 ± 0.73 g cm^-3, Kepler-454b lies near the mass transition between these two populations and requires the presence of volatiles and/or H/He gas.

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.