High-contrast imaging search for planets and brown dwarfs around the most massive stars in the solar neighborhood

There has been a long-standing discussion in the literature as to whether core accretion or disk instability is the dominant mode of planet formation. Over the last decade, several lines of evidence have been presented showing that core accretion is most likely the dominant mechanism for the close-in population of planets probed by radial velocity and transits. However, this does not by itself prove that core accretion is the dominant mode for the total planet population, since disk instability might conceivably produce and retain large numbers of planets in the far-out regions of the disk. If this is a relevant scenario, then the outer massive disks of B-stars should be among the best places for massive planets and brown dwarfs to form and reside. In this study, we present high-contrast imaging of 18 nearby massive stars of which 15 are in the B2-A0 spectral-type range and provide excellent sensitivity to wide companions. By comparing our sensitivities to model predictions of disk instability based on physical criteria for fragmentation and cooling, and using Monte Carlo simulations for orbital distributions, we find that ~85% of such companions should have been detected in our images on average. Given this high degree of completeness, stringent statistical limits can be set from the null-detection result, even with the limited sample size. We find that

Mass extinctions, galactic orbits in the solar neighborhood and the Sun: a connection?

The orbits of the stars in the disk of the Galaxy, and their passages through the Galactic spiral arms, are a rarely mentioned factor of biosphere stability which might be important for long-term planetary climate evolution, with a possible bearing on mass extinctions. The Sun lies very near the co-rotation radius, where stars revolve around the Galaxy in the same period as the density wave perturbations of the spiral arms. conventional wisdom generally considers that this status makes for few passages through the spiral arms. Controversy still surrounds whether time spent inside or around spiral arms is dangerous to biospheres and conductive to mass extinctions. Possible threats include giant molecular clouds disturbing the Oort comet cloud and provoking heavy bombardment: a higher exposure to cosmic rays near star forming regions triggering increased cloudiness in Earth atmosphere and ice ages; and the desctruction of Earth's ozone layer posed by supernova explosiosn. We present detailed calculations of the history of spiral arm passages for all 212 solar-type stars nearer than 20 parsecs, including the total time spent inside armsin the last 500 Myr, when the spiral arm position can be traced with good accuracy. We found that there is a large diversity of stellar orbits in the solar neighborhood, and the time fraction spent inside spiral arms can vary from a few percent to nearly half the time. The Sun, despite its proximity to the galactic co-rotation radius, has exceptionally low eccentricity and a low vertical velocity component, and therefore spends 30% of its lifetime crossing the spiral arms, more than most nearby stars. We discuss the possible implications of this fact to the long-term habitability of the Earth, and possible correlations of the Sun's passage through the spiral arms with the five great mass extinctions of the Earth's biosphere from the Late Ordovician to the Cretaceous-Tertiary.

High resolution spectroscopic characterization of the FGK stars in the Solar neighborhood

We present the most recent results of our ongoing long-term high resolution spectroscopic study of nearby (d ≤ 25 pc) FGK stars which aim is to characterize the local properties of the Galaxy, in particular the star-formation history. A through analysis has been carried out for 253 cool stars in the solar neighborhood. This includes radial and rotational velocities determinations, chromospheric activity levels inference, kinematic analysis, and age estimates. This study does not only shed new light on the issue of stellar formation history but also contributes to any present or future mission aiming to detect extra-solar planets. Exo-planets are likely to be found orbiting around nearby cool stars and their detection and characterization is highly dependent on the precise determination of fundamental stellar parameters such as age, activity levels. Therefore, our study is of paramount importance to ensure the success of any such mission.

Post T Tauri stars in the solar neighborhood: isolated or members of young associations and moving groups

Post T Tauri stars (PTTS) are late-type stars in the age range between 10 and 100 Myr filling the gap between T Tauri (TTs) and zero-age: main sequence phases. This period of evolution remains ambiguous and until now different studies of young stars have failed to find the numbers of PTTS that are expected. In the last years, some PTTS have been identified among the X-ray detected pre-main sequence stars in some star-forming regions. More recently, additional PTTS have been identified in young associations and moving groups (β Pic, TW Hya, Tucana/Horologium, and the AB Dor). However, many isolated PTTS still remain undiscovered. In this contribution, we compiled the PTTS previously identified in the literature, and identified new candidates using the information provided by the high resolution spectra obtained during our surveys of late-type stars possible members to young moving groups, FGK stars in the solar neighborhood, and RasTyc sample. To identify PTTS we applied an age-oriented definition using relative age indicators (Li abundance, chromospheric and coronal emission and the kinematics) as well as color-magnitude diagrams and pre-main sequence isochrones.

Boron abundances in B-type stars: A test of rotational depletion during main-sequence evolution

Boron abundances have been derived for seven main-sequence B- type stars from Hubble Space Telescope STIS spectra around the B III lambda2066 line. In two stars, boron appears to be undepleted with respect to the presumed initial abundance. In one star, boron is detectable but is clearly depleted. In the other four stars, boron is undetectable, implying depletions of 1-2 dex. Three of these four stars are nitrogen enriched, but the fourth shows no enrichment of nitrogen. Only rotationally induced mixing predicts that boron depletions are unaccompanied by nitrogen enrichments. The inferred rate of boron depletion from our observations is in good agreement with these predictions. Other boron-depleted nitrogen-normal stars are identified from the literature. In addition, several boron- depleted nitrogen-rich stars are identified, and while all fall on the boron-nitrogen trend predicted by rotationally induced mixing, a majority have nitrogen enrichments that are not uniquely explained by rotation. The spectra have also been used to determine iron group (Cr, Mn, Fe, and Ni) abundances. The seven B-type stars have near-solar iron group abundances, as expected for young stars in the solar neighborhood. We have also analyzed the halo B-type star PG 0832 + 676. We find [Fe/H] = -0.88 +/- 0.10, and the absence of the B III line gives the upper limit [B/H] <-2.5. These and other published abundances are used to infer the star's evolutionary status as a post-asymptotic giant branch star.

Galactic Edge Clouds I. Molecular Line Observations and Chemical Modelling of Edge Cloud 2

Edge Cloud 2 (EC2) is a molecular cloud, about 35 pc in size, with one of the largest galactocentric distances known to exist in the Milky Way. We present observations of a peak CO emission region in the cloud and use these to determine its physical characteristics. We calculate a gas temperature of 20 K and a density of n(H2)~10^4 cm-3. Based on our CO maps, we estimate the mass of EC2 at around 10^4 Msolar and continuum observations suggest a dust-to-gas mass ratio as low as 0.001. Chemical models have been developed to reproduce the abundances in EC2, and they indicate that heavy element abundances may be reduced by a factor of 5 relative to the solar neighborhood (similar to dwarf irregular galaxies and damped Lya systems), very low extinction (A_V <4 mag) due to a very low dust-to-gas mass ratio, an enhanced cosmic-ray ionization rate, and a higher UV field compared to local interstellar values. The reduced abundances may be attributed to the low level of star formation in this region and are probably also related to the continuing infall of primordial (or low-metallicity) halo gas since the Milky Way formed. Finally, we note that shocks from the old supernova remnant GSH 138-01-94 may have determined the morphology and dynamics of EC2.

Metallicities of 4 blue supergiants near the Galactic centre

High resolution optical spectra of four blue supergiants (HD148422 B0.5 Ib; HD178487 B0.5 Ib; HD179407 B1 Ib, HD163522 B1 Ib) which lie within 4.5 kpc of the Galactic centre are presented. Careful differential LTE model atmosphere analyses are used to quantify the differences in photospheric metal abundances between these stars and MK spectral standards in the solar neighborhood. A detailed non-LTE model atmosphere analysis of one star (HD163522) confirms that the LTE differential abundances should be reliable, provided we use a comparison star with similar atmospheric parameters.

Recherche d’étoiles jeunes de faible masse dans le voisinage solaire

Formées lors de l’effondrement gravitationnel d’un nuage de gaz moléculaire, les étoiles naissantes auront différentes masses variant entre 0.08 et environ 100M . La majorité de la population stellaire de la Galaxie est constituée d’étoiles dont la masse est inférieure à environ 0.6 M . Le dernier évènement de formation stellaire dans le voisinage solaire s’est produit dans la bulle locale il y a au plus 100 millions d’années, vraisemblablement provoqué par le passage d’une onde de choc dans le bras local de la Galaxie. C’est ainsi que se formèrent de jeunes associations d’étoiles dont les membres se caractérisent en particulier par une vitesse spatiale et une position commune dans la Galaxie. Les associations jeunes étant peu densément peuplées et relativement proches du Soleil, leurs membres se font plutôt rares et dispersés sur toute la voûte céleste. Jusqu’à présent, surtout les étoiles les plus massives (brillantes) ont été répertoriées. Les étoiles jeunes de faible masse, constituant la majorité de la population, restent pour la plupart à être identifiées. Les étoiles jeunes de faible masse représentent une population clef pour contraindre les modèles évolutifs des étoiles M et des naines brunes. Elles sont également d’excellentes candidates pour chercher des exoplanètes via les techniques d’imagerie directe. Ce mémoire présente une nouvelle méthode utilisant un modèle cinématique enrichi d’une analyse statistique Bayesienne pour identifier des étoiles jeunes de faible masse dans les associations beta Pictoris, Tucana-Horologium et AB Doradus. À partir d’un échantillon de 1080 étoiles K et M, toutes comportant des indicateurs de jeunesse tels l’émission Halpha et une forte luminosité dans les rayons X, leurs propriétés cinématiques (mouvement propre) et photométriques sont analysées pour en extraire 98 candidates hautement probables membres d’une des trois associations. Une confirmation de leur statut comme membre nécessitera en particulier une mesure de leur vitesse radiale (prédit par notre analyse) et une mesure de la largeur équivalente du lithium à 6708 Å pour mieux contraindre leur âge.

Analyse des paramètres atmosphériques des étoiles naines blanches dans le voisinage solaire

Ce mémoire présente une analyse homogène et rigoureuse de l’échantillon d’étoiles naines blanches situées à moins de 20 pc du Soleil. L’objectif principal de cette étude est d’obtenir un modèle statistiquement viable de l’échantillon le plus représentatif de la population des naines blanches. À partir de l’échantillon défini par Holberg et al. (2008), il a fallu dans un premier temps réunir le plus d’information possible sur toutes les candidates locales sous la forme de spectres visibles et de données photométriques. En utilisant les modèles d’atmosphère de naines blanches les plus récents de Tremblay & Bergeron (2009), ainsi que différentes techniques d’analyse, il a été permis d’obtenir, de façon homogène, les paramètres atmosphériques (Teff et log g) des naines blanches de cet échantillon. La technique spectroscopique, c.-à-d. la mesure de Teff et log g par l’ajustement des raies spectrales, fut appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon pour lesquelles un spectre visible présentant des raies assez fortes était disponible. Pour les étoiles avec des données photométriques, la distribution d’énergie combinée à la parallaxe trigonométrique, lorsque mesurée, permettent de déterminer les paramètres atmosphériques ainsi que la composition chimique de l’étoile. Un catalogue révisé des naines blanches dans le voisinage solaire est présenté qui inclut tous les paramètres atmosphériques nouvellement determinés. L’analyse globale qui en découle est ensuite exposée, incluant une étude de la distribution de la composition chimique des naines blanches locales, de la distribution de masse et de la fonction luminosité.

Recherche et caractérisation des étoiles jeunes de faible masse dans le voisinage solaire

L'outil développé dans le cadre de cette thèse est disponible à l'adresse suivante: www.astro.umontreal.ca/~malo/banyan.php

Relevé spectroscopique et étude des propriétés physiques des étoiles naines blanches à moins de 40 parsecs du Soleil

Les étoiles naines blanches représentent la fin de l’évolution de 97% des étoiles de notre galaxie, dont notre Soleil. L’étude des propriétés globales de ces étoiles (distribution en température, distribution de masse, fonction de luminosité, etc.) requiert l’élaboration d’ensembles statistiquement complets et bien définis. Bien que plusieurs relevés d’étoiles naines blanches existent dans la littérature, la plupart de ceux-ci souffrent de biais statistiques importants pour ce genre d’analyse. L’échantillon le plus représentatif de la population d’étoiles naines blanches demeure à ce jour celui défini dans un volume complet, restreint à l’environnement immédiat du Soleil, soit à une distance de 20 pc (∼ 65 années-lumière) de celui-ci. Malheureusement, comme les naines blanches sont des étoiles intrinsèquement peu lumineuses, cet échantillon ne contient que ∼ 130 objets, compromettant ainsi toute étude statistique significative. Le but de notre étude est de recenser la population d’étoiles naines blanches dans le voisinage solaire a une distance de 40 pc, soit un volume huit fois plus grand. Nous avons ainsi entrepris de répertorier toutes les étoiles naines blanches à moins de 40 pc du Soleil à partir de SUPERBLINK, un vaste catalogue contenant le mouvement propre et les données photométriques de plus de 2 millions d’étoiles. Notre approche est basée sur la méthode des mouvements propres réduits qui permet d’isoler les étoiles naines blanches des autres populations stellaires. Les distances de toutes les candidates naines blanches sont estimées à l’aide de relations couleur-magnitude théoriques afin d’identifier les objets se situant à moins de 40 pc du Soleil, dans l’hémisphère nord. La confirmation spectroscopique du statut de naine blanche de nos ∼ 1100 candidates a ensuite requis 15 missions d’observations astronomiques sur trois grands télescopes à Kitt Peak en Arizona, ainsi qu’une soixantaine d’heures allouées sur les télescopes de 8 m des observatoires Gemini Nord et Sud. Nous avons ainsi découvert 322 nouvelles étoiles naines blanches de plusieurs types spectraux différents, dont 173 sont à moins de 40 pc, soit une augmentation de 40% du nombre de naines blanches connues à l’intérieur de ce volume. Parmi ces nouvelles naines blanches, 4 se trouvent probablement à moins de 20 pc du Soleil. De plus, nous démontrons que notre technique est très efficace pour identifier les étoiles naines blanches dans la région peuplée du plan de la Galaxie. Nous présentons ensuite une analyse spectroscopique et photométrique détaillée de notre échantillon à l’aide de modèles d’atmosphère afin de déterminer les propriétés physiques de ces étoiles, notamment la température, la gravité de surface et la composition chimique. Notre analyse statistique de ces propriétés, basée sur un échantillon presque trois fois plus grand que celui à 20 pc, révèle que nous avons identifié avec succès les étoiles les plus massives, et donc les moins lumineuses, de cette population qui sont souvent absentes de la plupart des relevés publiés. Nous avons également identifié plusieurs naines blanches très froides, et donc potentiellement très vieilles, qui nous permettent de mieux définir le côté froid de la fonction de luminosité, et éventuellement l’âge du disque de la Galaxie. Finalement, nous avons aussi découvert plusieurs objets d’intérêt astrophysique, dont deux nouvelles étoiles naines blanches variables de type ZZ Ceti, plusieurs naines blanches magnétiques, ainsi que de nombreux systèmes binaires non résolus.

La recherche de naines brunes et étoiles de faible masse dans les associations cinématiques jeunes du voisinage solaire

L’objectif principal de cette thèse est d’identifier les étoiles de faible masse et naines brunes membres d’associations cinématiques jeunes du voisinage solaire. Ces associations sont typiquement âgées de moins de 200 millions d’années et regroupent chacune un ensemble d’étoiles s’étant formées au même moment et dans un même environnement. La majorité de leurs membres d'environ plus de 0.3 fois la masse du Soleil sont déjà connus, cependant les membres moins massifs (et moins brillants) nous échappent encore. Leur identification permettra de lever le voile sur plusieurs questions fondamentales en astrophysique. En particulier, le fait de cibler des objets jeunes, encore chauds et lumineux par leur formation récente, permettra d’atteindre un régime de masses encore peu exploré, jusqu'à seulement quelques fois la masse de Jupiter. Elles nous permettront entre autres de contraindre la fonction de masse initiale et d'explorer la connection entre naines brunes et exoplanètes, étant donné que les moins massives des naines brunes jeunes auront des propriétés physiques très semblables aux exoplanètes géantes gazeuses. Pour mener à bien ce projet, nous avons adapté l'outil statistique BANYAN I pour qu'il soit applicable aux objets de très faibles masses en plus de lui apporter plusieurs améliorations. Nous avons entre autres inclus l'utilisation de deux diagrammes couleur-magnitude permettant de différencier les étoiles de faible masse et naines brunes jeunes à celles plus vieilles, ajouté l'utilisation de probabilités a priori pour rendre les résultats plus réalistes, adapté les modèles spatiaux et cinématiques des associations jeunes en utilisant des ellipsoïdes gaussiennes tridimensionnelles dont l'alignement des axes est libre, effectué une analyse Monte Carlo pour caractériser le taux de faux-positifs et faux-négatifs, puis revu la structure du code informatique pour le rendre plus efficace. Dans un premier temps, nous avons utilisé ce nouvel algorithme, BANYAN II, pour identifier 25 nouvelles candidates membres d'associations jeunes parmi un échantillon de 158 étoiles de faible masse (de types spectraux > M4) et naines brunes jeunes déjà connues. Nous avons ensuite effectué la corrélation croisée de deux catalogues couvrant tout le ciel en lumière proche-infrarouge et contenant ~ 500 millions d’objets célestes pour identifier environ 100 000 candidates naines brunes et étoiles de faible masse du voisinage solaire. À l'aide de l'outil BANYAN II, nous avons alors identifié quelques centaines d'objets appartenant fort probablement à une association jeune parmi cet échantillon et effectué un suivi spectroscopique en lumière proche-infrarouge pour les caractériser. Les travaux présentés ici ont mené à l'identification de 79 candidates naines brunes jeunes ainsi que 150 candidates étoiles de faible masse jeunes, puis un suivi spectroscopique nous a permis de confirmer le jeune âge de 49 de ces naines brunes et 62 de ces étoiles de faible masse. Nous avons ainsi approximativement doublé le nombre de naines brunes jeunes connues, ce qui a ouvert la porte à une caractérisation statistique de leur population. Ces nouvelles naines brunes jeunes représentent un laboratoire idéal pour mieux comprendre l'atmosphère des exoplanètes géantes gazeuses. Nous avons identifié les premiers signes d’une remontée dans la fonction de masse initiale des naines brunes aux très faibles masses dans l'association jeune Tucana-Horologium, ce qui pourrait indiquer que l’éjection d’exoplanètes joue un rôle important dans la composition de leur population. Les résultats du suivi spectroscopique nous ont permis de construire une séquence empirique complète pour les types spectraux M5-L5 à l'âge du champ, à faible (β) et très faible (γ) gravité de surface. Nous avons effectué une comparaison de ces données aux modèles d'évolution et d'atmosphère, puis nous avons construit un ensemble de séquences empiriques de couleur-magnitude et types spectraux-magnitude pour les naines brunes jeunes. Finalement, nous avons découvert deux nouvelles exoplanètes par un suivi en imagerie directe des étoiles jeunes de faible masse identifiées dans ce projet. La future mission GAIA et le suivi spectroscopique complet des candidates présentées dans cette thèse permettront de confirmer leur appartenance aux associations jeunes et de contraindre la fonction de masse initiale dans le régime sous-stellaire.

A FOSSIL BULGE GLOBULAR CLUSTER REVEALED BY VERY LARGE TELESCOPE MULTI-CONJUGATE ADAPTIVE OPTICS

The globular cluster HP 1 is projected on the bulge, very close to the Galactic center. The Multi-Conjugate Adaptive Optics Demonstrator on the Very Large Telescope allowed us to acquire high-resolution deep images that, combined with first epoch New Technology Telescope data, enabled us to derive accurate proper motions. The cluster and bulge fields` stellar contents were disentangled through this process and produced an unprecedented definition in color-magnitude diagrams of this cluster. The metallicity of [Fe/H] approximate to -1.0 from previous spectroscopic analysis is confirmed, which together with an extended blue horizontal branch imply an age older than the halo average. Orbit reconstruction results suggest that HP 1 is spatially confined within the bulge.

Chemically tagging the Hyades stream: does it partly originate from the Hyades cluster?

The Hyades stream has long been thought to be a dispersed vestige of the Hyades cluster. However, recent analyses of the parallax distribution, of the mass function, and of the action-space distribution of stream stars have shown it to be rather composed of orbits trapped at a resonance of a density disturbance. This resonant scenario should leave a clearly different signature in the element abundances of stream stars than the dispersed cluster scenario, since the Hyades cluster is chemically homogeneous. Here, we study the metallicity as well as the element abundances of Li, Na, Mg, Fe, Zr, Ba, La, Ce, Nd and Eu for a random sample of stars belonging to the Hyades stream, and compare them with those of stars from the Hyades cluster. From this analysis: (i) we independently confirm that the Hyades stream cannot be solely composed of stars originating in the Hyades cluster; (ii) we show that some stars (namely 2/21) from the Hyades stream nevertheless have abundances compatible with an origin in the cluster; (iii) we emphasize that the use of Li as a chemical tag of the cluster origin of main-sequence stars is very efficient in the range 5500 K <= T(eff) <= 6200 K, since the Li sequence in the Hyades cluster is very tight, while at the same time spanning a large abundance range; (iv) we show that, while this evaporated population has a metallicity excess of similar to 0.2 dex with respect to the local thin-disc population, identical to that of the Hyades cluster, the remainder of the Hyades stream population has still a metallicity excess of similar to 0.06-0.15 dex, consistent with an origin in the inner Galaxy and (v) we show that the Hyades stream can be interpreted as an inner 4:1 resonance of the spiral pattern: this then also reproduces an orbital family compatible with the Sirius stream, and places the origin of the Hyades stream up to 1 kpc inwards from the solar radius, which might explain the observed metallicity excess of the stream population.

Um estudo da abundância de lítio, rotação, atividade cromosférica e magnetismo das estrelas análogas e gêmeas solares

The study physical process that control the stellar evolution is strength influenced by several stellar parameters, like as rotational velocity, convective envelope mass deepening, and magnetic field intensity. In this study we analyzed the interconnection of some stellar parameters, as Lithium abundance A(Li), chromospheric activity and magnetic field intensity as well as the variation of these parameters as a function of age, rotational velocity, and the convective envelope mass deepening for a selected sample of solar analogs and twins stars. In particular, we analyzed the convective envelope mass deepening and the dispersion of lithium abundance for these stars. We also studied the evolution of rotation in subgiants stars, because its belong to the following evolutionary stage of solar analogs, and twins stars. For this analyze, we compute evolutionary models with the TGEC code to derive the evolutionary stage, as well as the convective envelope mass deepening, and derive more precisely the stellar mass, and age for this 118 stars. Our Investigation shows a considerable dispersion of lithium abundance for the solar analogs stars. We also realize that this dispersion is not by the convective zone deep, in this way we observed which the scattering of A(Li) can not be explained by classical theories of mixing in the convective zone. In conclusion we have that are necessary extra-mixing process to explain this decrease of Lithium abundance in solar analogs and twins stars. We analyzed the subgiant stars because this are the subsequent evolutionary stage after the solar analogs and twins stars. For this analysis, we compute the rotational period for 30 subgiants stars observed by Co- RoT satellite. For this task we apply two different methods: Lomb-Scargle algorithm, and the Plavchan Periodogram. We apply the TGEC code we compute models with internal distribution of angular momentum to confront the predict results with the models, and the observational results. With this analyze, we showed which solid body rotation models are incompatible with the physical interpretation of observational results. As a result of our study we still concluded that the magnetic field, convective envelope mass deepening, and internal redistribution of angular momentum are essential to explain the evolution of low-mass stars, and its observational characteristics. Based on population synthesis simulation, we concluded that the solar neighborhood presents a considerable quantity of solar twins when compared with the discovered set nowadays. Altogether we foresee the existence around 400 solar analogs in the solar neighborhood (distance of 100 pc). We also study the angular momentum of solar analogs and twins, in this study we concluded that added angular momentum from a Jupiter type planet, putted in the Jupiter position, is not enough to explain the angular momentum predicted by Kraft law (Kraft 1970)