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.

Computed tomography evaluation of axial vertebral derotation in endoscopic anterior instrumentation for adolescent idiopathic scoliosis

Thoracoscopic instrumented anterior spinal fusion for adolescent idiopathic scoliosis (AIS) has clinical benefits that include reduced pulmonary morbidity, postoperative pain, and improved cosmesis. However, quantitative data on radiological improvement of vertebral rotation using this method is lacking. This study’s objectives were to measure preoperative and postoperative axial vertebral rotational deformity at the curve apex in endoscopically-treated anterior-instrumented scoliosis patients using CT, and assess the relevance of these findings to clinically measured chest wall rib hump deformity correction. This is the first quantitative CT study to confirm that endoscopic anterior instrumented fusion for AIS substantially improves axial vertebral body rotational deformity at the apex of the curve. The margin of correction of 43% compares favourably with historically published figures of 24% for patients with posterior all-hook-rod constructs. CT measurements correlated significantly to the clinical outcome of rib hump deformity correction.

Water uptake of aerosols with a focus on seeded aerosols and instrumentation techniques

This thesis focuses on the volatile and hygroscopic properties of mixed aerosol species. In particular, the influence organic species of varying solubility have upon seed aerosols. Aerosol studies were conducted at the Paul Scherrer Institut Laboratory for Atmospheric Chemistry (PSI-LAC, Villigen, Switzerland) and at the Queensland University of Technology International Laboratory for Air Quality and Health (QUT-ILAQH, Brisbane, Australia). The primary measurement tool employed in this program was the Volatilisation and Hygroscopicity Tandem Differential Mobility Analyser (VHTDMA - Johnson et al. 2004). This system was initially developed at QUT within the ILAQH and was completely re-developed as part of this project (see Section 1.4 for a description of this process). The new VHTDMA was deployed to the PSI-LAC where an analysis of the volatile and hygroscopic properties of ammonium sulphate seeds coated with organic species formed from the photo-oxidation of á-pinene was conducted. This investigation was driven by a desire to understand the influence of atmospherically prevalent organics upon water uptake by material with cloud forming capabilities. Of particular note from this campaign were observed influences of partially soluble organic coatings upon inorganic ammonium sulphate seeds above and below their deliquescence relative humidity (DRH). Above the DRH of the seed increasing the volume fraction of the organic component was shown to reduce the water uptake of the mixed particle. Below the DRH the organic was shown to activate the water uptake of the seed. This was the first time this effect had been observed for á-pinene derived SOA. In contrast with the simulated aerosols generated at the PSI-LAC a case study of the volatile and hygroscopic properties of diesel emissions was undertaken. During this stage of the project ternary nucleation was shown, for the first time, to be one of the processes involved in formation of diesel particulate matter. Furthermore, these particles were shown to be coated with a volatile hydrophobic material which prevented the water uptake of the highly hygroscopic material below. This result was a first and indicated that previous studies into the hygroscopicity of diesel emission had erroneously reported the particles to be hydrophobic. Both of these results contradict the previously upheld Zdanovksii-Stokes-Robinson (ZSR) additive rule for water uptake by mixed species. This is an important contribution as it adds to the weight of evidence that limits the validity of this rule.

Field instrumentation of a water reticulation pipe buried in reactive soil

The loss of valuable water resources due to pipe failure has become a major problem in Australia, especially in areas under high level of water restrictions. Generally pipe failure occurs due to a combination of physical and environmental factors. Stresses induced by shrinking and swelling of reactive soils are one of the major factors affecting the performance of buried pipes. This paper presents the details of a field instrumentation undertaken to monitor the performance of an in-service water reticulation pipe buried in a reactive soil and subjected to seasonal climatic changes.

Computed tomography analysis of sagittal plane parameters in adolescent idiopathic scoliosis treated by video assisted thoracoscopic spinal fusion and instrumentation

One of the primary treatment goals of adolescent idiopathic scoliosis (AIS) surgery is to achieve maximum coronal plane correction while maintaining coronal balance. However maintaining or restoring sagittal plane spinal curvature has become increasingly important in maintaining the long-term health of the spine. Patients with AIS are characterised by pre-operative thoracic hypokyphosis, and it is generally agreed that operative treatment of thoracic idiopathic scoliosis should aim to restore thoracic kyphosis to normal values while maintaining lumbar lordosis and good overall sagittal balance. The aim of this study was to evaluate CT sagittal plane parameters, with particular emphasis on thoracolumbar junctional alignment, in patients with AIS who underwent Video Assisted Thoracoscopic Spinal Fusion and Instrumentation (VATS). This study concluded that video-assisted thoracoscopic spinal fusion and instrumentation reliably increases thoracic kyphosis while preserving junctional alignment and lumbar lordosis in thoracic AIS.

Use of electronic travel diaries and vehicle instrumentation packages in the year 2000 : Atlanta Regional Household Travel Survey

The Georgia Institute of Technology is currently performing research that will result in the development and deployment of three instrumentation packages that allow for automated capture of personal travel-related data for a given time period (up to 10 days). These three packages include: A handheld electronic travel diary (ETD) with Global Positioning System (GPS) capabilities to capture trip information for all modes of travel; A comprehensive electronic travel monitoring system (CETMS), which includes an ETD, a rugged laptop computer, a GPS receiver and antenna, and an onboard engine monitoring system, to capture all trip and vehicle information; and a passive GPS receiver, antenna, and data logger to capture vehicle trips only.

Care and preventative maintenance of surgical instrumentation : the scrub nurse's responsibility

The cost of surgical instrumentation is a major investment for any operating theatre. Repair or premature replacement of instruments is an additional financial burden. Although instrument care, handling, cleaning and sterilisation are usually components of orientation programs for instrument processing personnel, it should also be included in the scrub nurse orientation program. A thorough knowledge of the historical development of instruments; instrument classification and purpose; and careful use and handling will equip the scrub nurse in fulfilling a vital role in preventative maintenance of surgical instrumentation

A biomechanical analysis of anterior instrumentation used in the surgical correction of adolescent idiopathic scoliosis

Scoliosis is a deformity of the spine which affects children and adolescents, and remains a challenge to treat. This study measured the forces used during surgery to correct scoliosis and studied changes to spinal mechanics from the implantation of metal rods used to hold the spine straight. The results of this study will help surgeons and engineers understand how to straighten the spine more efficiently to provide patients with better outcomes.

Using rowers’ perceptions of on-water stroke success to evaluate sculling catch efficiency variables via a boat instrumentation system

Aim An effective catch in sculling is a critical determinant of boat velocity. This study used rowers’ performance-based judgments to compare three measures of catch slip efficiency. Two questions were addressed: (1) would rower-judged Yes strokes be faster than No strokes? and (2) which method of quantifying catch slip best reflected these judgements? Methods Eight single scullers performed two 10-min blocks of sub maximal on-water rowing at 20 strokes per minute. Every 30 s, rowers reported either Yes or No about the quality of their stroke at the catch. Results It was found that Yes strokes identified by rowers had, on average, a moderate effect advantage over No strokes with a standardised effect size of 0.43. In addition, a quicker time to positive acceleration best reflected the change in performance; where the standardised mean difference score of 0.57 for time to positive acceleration was larger than the scores of 0.47 for time to PowerLine force, and 0.35 for time to 30% peak pin force catch slip measures. For all eight rowers, Yes strokes corresponded to time to positive acceleration occurring earlier than No strokes. Conclusion Rower judgements about successful strokes was linked to achieving a quicker time to positive acceleration, and may be of the most value in achieving a higher average boat velocity.