Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les nébuleuses planétaires (NP) sont le produit de l'évolution d'étoiles de masses intermédiaires après leur expansion sphérique à la fin de leurs vies. Il a été estimé observationnellement que 80 % des NP ont des formes non-sphériques. Une fraction si élevée est déroutante et a mobilisé la communauté de recherche sur les NP pendant plus de trente ans. Un scénario qui permettrait de justifier les formes observées serait que les étoiles progénitrices de noyaux de NP (NNP) ne sont pas simples, mais possèdent un compagnon. Les formes des nébuleuses seraient ainsi le résultat de l'interaction avec le compagnon. La fraction si élevée de NP non-sphériques impliquerait donc une fraction élevée de NNP binaires, faisant de la parité stellaire un canal de formation privilégié pour les NP. Après avoir présenté l'état de connaissance actuelle concernant la formation et la mise en forme des NP, je présente mes travaux visant à détecter un excès infrarouge qui serait la signature de la présence d'un compagnon orbitant le NNP. La première partie de ce projet consiste en l'analyse de données et photométrie acquises par moi-même. Dans la deuxième partie je présente une tentative d'utilisation de jeux de données d'archives : la campagne optique Sloan Digital Sky Survey Data Release 7 et la version étendue de la base de données assemblée par Frew (2008). Je présente aussi les résultats d'une analyse de vitesses radiales de spectres VLT/UVES pour 14 NNP dans le but de détecter des compagnons spectroscopiques. Finalement j'expose les détails d'une analyse de photométrie de données optiques dans le but de détecter des compagnons orbitant autour de NNP en utilisant la technique de variabilité photométrique. Le résultat principal de cette thèse réside dans les analyses d'excès infrarouge proche que je combine avec des données publiées précédemment. Je conclus que si la fraction détectée d'excès infrarouge proche est attribuée à la présence de compagnons stellaires, alors la fraction binaire de NNP est plus grande que celle attendue en se basant sur la population binaire de progéniteurs de la séquence principale et ainsi conclus que la multiplicité stellaire est un canal de formation privilégié pour la formation des NP. Je clos en soulignant la nécessité d'un échantillon d'étude d'environ 150 objets pour réduire l'incertitude sur la fraction binaire et appuyer les conclusions statistiques de ce résultat. / Planetary nebulae (PNe) are the products of the evolution of intermediate mass stars that have expanded spherically at the end of their lives. Observationally, it has been estimated that 80% of them have non-spherical shapes. Such a high fraction is puzzling and has occupied the PN community for more than 30 years. One scenario that would allow to justify the observed shapes is that a comparable fraction of the progenitors of central stars of PN (CSPN) are not single, but possess a companion. The shape of the nebulae would then be the result of an interaction with this companion. The high fraction of non-spherical PNe would thus imply a high fraction of binary CSPN, making binarity a preferred channel for PN formation. After presenting the current state of knowledge regarding PN formation and shaping and reviewing the diverse efforts to find binaries in PNe, I present my work to detect a near-infrared excess that would be the signature of the presence of cool companions. The first part of the project consists in the analysis of data and photometry acquired and conducted by myself. The second part details an attempt to make use of archived datasets: the Sloan Digital Sky Survey Data Release 7 optical survey and the extended database assembled by Frew (2008). I also present results from a radial velocity analysis of VLT/UVES spectra for 14 objects aiming to the detection of spectroscopic companions. Finally I give details of the analysis of optical photometry data from our observations associated to the detection of companions around CSPN using the photometric variability technique. The main result of this thesis is from the near-infrared excess studies which I combine with previously-published data. I conclude that the if the detected red and NIR flux excess is indicative of a stellar companion then the binary fraction is larger than what we may expect based on the main-sequence progenitor population binary fraction and therefore conclude that binarity is a preferential channel for the formation of PN. I finish by underlining the need for a sample size of ∼ 150 objects to decrease the uncertainty on the PN population binary fraction and increase the statistical significance of this result.

Au cours de cette thèse nous avons étudié différents aspects de la modélisation de la structure interne du Soleil. La précision atteinte avec l'héliosismologie permet de fortement contraindre les modèles solaires. Les meilleurs modèles standards (où la convection et la diffusion microscopique sont les seuls processus de transport pris en compte) reproduisent la vitesse du son du modèle sismique (obtenu par inversion des modes sismiques) avec un très bon accord (meilleur que 1%). Nous avons testé dans ce cadre l'influence d'une variation des grandeurs utilisées pour la calibration des modèles, compte-tenu de leur incertitude actuelle. Nous avons constaté que ces variations entraînent des modifications négligeables dans la comparaison avec le modèle sismique. Nous avons aussi étudié les effets du changement de l'équation d'état, des opacités, des taux de réactions nucléaires et de la composition chimique initiale dans les modèles. Pour notre meilleur modèle, calculé avec les données les plus récentes, l'écart avec la vitesse du son du modèle sismique est inférieur à 0.3%. Nous avons étudié la précision obtenue dans la détermination héliosismique de la fraction de masse d'hélium 4 dans la zone convective du Soleil. Nous avons aussi étudié les processus de transport susceptibles d'expliquer les abondances observées des éléments légers. Le mélange induit par la rotation permet de reproduire les contraintes chimiques tout en améliorant l'accord avec le modèle sismique. Dans tous ces modèles les flux de neutrinos obtenus sont plus importants que ceux observés. Nous avons testé l'effet d'un mélange dans le coeur du Soleil : les flux de neutrinos sont diminués mais l'accord avec le modèle sismique est dégradé. Cette étude tend à montrer que la solution au problème des neutrinos solaires se trouve plutôt en physique des particules.

Les recherches de SNe ont commencé il y a plus de 100 ans. Depuis, il a été possible de collecter beaucoup de données d'observations astronomiques. Les astronomes ont développé une classification détaillée et ont abouti un relatif consensus sur la nature physique de ces événements très différents. Néanmoins, beaucoup de questions restent sans réponse. En résumé, les supernovæ de type II (riche en hydrogène) résultent de l'éjection l'enveloppe des supergéantes rouges (SGR). Les principales sources de connaissance sur ces objets sont l'évolution de leur luminosité en fonction du temps (`courbes de lumière') et leurs spectres observés à différentes époques. La méthode la plus utilisée pour extraire les informations des données d'observation est la modélisation des courbes de lumières et des spectres des supernovæ. Dans le Chapitre 1 (Introduction), nous présentons successivement l’évolution stellaire, la physique des explosions et l’évolution des éjectas. Nous décrivons aussi les différents types de supernova ; l’état actuel des connaissances sur les CCSNe ainsi que ces limitations. Nous discutons de la théorie de l'évolution stellaire. Nous décrivons notre approche numérique au Chapitre 2 (Supernova modelling). Elle consiste en trois étapes principales : la modélisation de l'évolution stellaire, l'explosion de l'étoile SGR résultante, et la modélisation de l'évolution des éjectas. Nous présentons la structure modélisée des étoiles SGR ; ces modèles et techniques de calcul sont similaires aux modèles utilisés dans les chapitres suivants. Nous discutons notre méthode d'explosion d'un progéniteur quand son noyau dégénéré commence à s'effondrer. Dans le Chapitre 3 (Observational properties), nous discutons les propriétés observées en photométrie et spectroscopie des CCSNe. Nous extrayons les propriétés statistiques de l'échantillon existant. En utilisant la technique présentée, nous avons effectué une étude détaillée de SN 2008bk, une supernova bien observée (Chapitre 4). Nous pouvons contraindre les propriétés du progéniteur et des paramètres d'explosion. Notre modélisation nous permet de comparer non seulement les propriétés de base telles que la luminosité, mais aussi à analyser en détail les caractéristiques spectrales, telles que la présence de certaines raies spectrales ainsi que leur morphologie. Nous montrons qu'une étoile de 12M⊙ sur la séquence principale est un bon candidat au progéniteur de SN 2008bk. Aussi, nous discutons de la forme asymétrique de la raie Hα et concluons qu'elle provient du chevauchement avec la raie forte du Ba II 6596.9 Å. SN 2008bk, avec quelques dizaines d'autres objets, forme une sous-classe importante de CCSNe — supernovae à faible luminosité. Nous avons consacré une attention particulière à cette classe d'objets, dont l'uniformité et les données d'observation nous permet de tirer des conclusions importantes. Au Chapitre 5, nous étudions l'échantillon de 17 SNe de faible luminosité et analysons la possibilité que ces événements résultent d'explosions de progéniteurs de petite ou de grande masse. Il n'y a pas d'accord solide dans la communauté astronomique sur les progéniteurs possibles des explosions de SNe à faible luminosité. Notre analyse montre que les étoiles massives de masse inférieure (~12 M⊙) sont de bons candidats pour les progéniteurs de cette sous-classe de SNe. De plus, nos simulations d'étoiles de masse élevée (25 et 27 M⊙) montrent qu'une explosion ayant une luminosité aussi faible aurait des propriétés d’observation remarquables qui ne sont pas présentes dans les données. Dans le Chapitre 6, nous étendons notre étude sur toutes les CCSNe, en utilisant des modèles plus énergétiques que dans les Chapitres 4 et 5. Nous fournissons des preuves que ce qui différencie la diversité de SNe II est l'énergie d'explosion plutôt que la masse des éjectas (ou plus précisément la masse de l'enveloppe riche en H de progéniteur). / Dedicated SN searches started over 100 years ago. Over that time, astronomers have collected large sets of observational data. They have developed detailed classification and achieved general agreement on the nature of these events. Nevertheless, a lot of questions remain unanswered. In short, most Type II SNe (hydrogen-rich SNe) are terminal explosions of red supergiant (RSG) stars. The main source of knowledge about these objects are the way their luminosity changes with time (`light curves') and how their radiation is distributed in wavelength. One of the widely used methods to extract the information from the observational data is computer modelling. The largest part of our work lays in the numerical simulations. In Chapter 1 (Introduction), we present succinctly the necessary theory which includes stellar evolution, explosion physics and ejecta evolution. We discuss different types of SNe; the modern knowledge on CCSNe and its problems. We discuss stellar evolution theory. We describe the nucleosynthesis that takes place in the cores of massive stars and gives rise to their final chemical stratification. We describe our numerical approach in Chapter 2 (Supernova modelling). It includes three major steps: stellar evolution modelling, explosion of the resulting RSG star, and ejecta evolution modelling. We present modelled structure of RSG stars; these models and computational techniques are similar to models used in subsequent chapters. We then discuss our numerical methods of exploding a SN once its degenerate core starts collapsing. We discuss explosive nucleosynthesis and its impact on the progenitor composition, production of unstable isotopes and the basic physics of radioactive decay. In Chapter 3 (Observational properties), we discuss the photometric and spectral observational properties of core-collapse SNe. We extract statistical properties of the existing sample. Using the presented technique, we performed a detailed study of the well observed object SN 2008bk (Chapter 4). We are able to constrain its progenitor and explosion properties. Our modelling allows us to compare not only the basic properties such as luminosity, but also to analyze in detail the spectral features, such as line identification and morphology. We show that a 12 M⊙ star on the main sequence is a good candidate for the progenitor of SN 2008bk. Also we discuss the asymmetric shape of the Hα line and conclude that it stems from the overlap with the strong Ba II 6596.9 Å line. SN 2008bk, together with about 20 objects, form a subclass of low-luminosity CCSNe Type II. We devoted a particular attention to this class of objects, whose uniformity and observational data allows us to draw important conclusions. In Chapter 5 (Low-luminosity Type II-P SNe), we study the sample of 17 low-luminosity SNe and analyze the possibility that these events are the result of explosions of low- and high-mass progenitors. There is no solid agreement in the astronomical community on the possible progenitors of the low-luminosity explosions of Type II SNe. Our analysis shows that lower-mass massive stars (~12 M⊙) are good candidates for the progenitors of this subclass of SNe. Moreover, our simulations of high-mass stars (25 and 27 M⊙) show that such low brightness of the explosion of such a massive object would have notable observational properties which are not present in the data. In Chapter 6 (Kinetic energy variation), we extend our study further on the whole class of hydrogen-rich core-collapse SN, using more energetic models than in Chapters 4 and 5. We provide evidences that what differentiates the diversity of SNe II is the explosion energy rather than the ejecta mass (or H-rich envelope mass of the progenitor).

Les enveloppes circumstellaires autour des géantes rouges s'établissent pendant de longues périodes qui peuvent durer jusqu'à 10^6 ans. Elles peuvent donc être étendues (~1pc, peut-être plus) et nous avons besoin de différents traceurs complémentaires pour décrire leurs propriétés globales. Je présente dans cette étude un programme conçu pour examiner les propriétés de la matière dans les parties externes des enveloppes circumstellaires autour d'étoiles de la Branche Asymptotique des Géantes (AGB) et leur liaison avec les enveloppes internes. Je présenterai donc des observations HI à 21 cm ainsi que des observations des transitions rotationnelles de la molécule CO pour plusieurs types d'étoiles. Notre interprétation des profils HI observés est que le vent stellaire est freiné par le milieu interstellaire ambiant. Nous avons conçu un modèle sphérique pour tenter de prédire cette émission HI, et je discuterai ses résultats. Dans plusieurs cas, l'émission HI est allongée dans une direction compatible avec le mouvement propre de l'étoile, un phénomène qui est observé de plus en plus couramment et qui pourrait de même s'expliquer dans le cadre d'une interaction avec le milieu local.

La thèse présentée ici se place dans le cadre de la sismologie du Soleil et des étoiles, dans une période de transition entre une bonne connaissance du Soleil grâce à l'héliosismologie et le développement actuel de l'astérosismologie, et, entre une vision statique et une vision dynamique des étoiles. Le but de mon travail a été de participer à cet effort en dépasser la vision statique des intérieurs stellaires et via le développement d'outils d'analyse des données des missions spatiales. Ainsi le modèle solaire standard actuel, la représentation théorique de l'intérieur solaire, présente des limites, mises en avant par une récente révision de ses abondances. Nous montrons que l'écart entre le modèle standard et les observations sismiques est fortement dégradé motivant l'introduction de processus dynamiques dans les modèles. Nous avons aussi entrepris l'introduction d'effets magnétiques dans les couches superficielles pour améliorer la prédiction des fréquences et l'analyse sismique. Les missions spatiales astérosismiques, présentes et futures, permettent d'avoir accès à des informations sur la dynamique des étoiles (rotation, convection, . . .). Pour améliorer ces informations contenues dans les spectres d'oscillations, il est nécessaire d'effectuer une bonne identification des modes ainsi qu'une extraction précise de ces paramètres. Nous montrons comment améliorer ceci en développant une analyse du diagramme-échelle basée sur la récente transformée en curvelette. Cette méthode a pu être validées grâce à des simulations ainsi que dans le cadre d'exercices pour la préparation à la mission CoRoT. Nous nous sommes également intéressé à l'étoile Procyon observée par MOST.

La qualité des données sismiques du satellite CoRoT ouvre de nouveaux horizons dans l'étude de la structure interne et de l'évolution des étoiles. Mon travail de thèse a consisté à l'analyse et à l'interprétation des spectres d'oscillations de pulsateurs de type solaire observés au sol et depuis l'espace, en particulier avec le satellite CoRoT. L'objectif de l'analyse d'un spectre d'oscillations est de déterminer les paramètres des modes propres de l'étoile (fréquences propres, amplitudes, durées de vie). Au sein du DAT (groupe en charge de l'analyse des pulsateurs de type solaire observés avec CoRoT), j'ai contribué à adapter aux objets étudiés une méthode utilisée avec succès pour extraire les paramètres des modes du Soleil. J'ai appliqué cette méthode à l'analyse des cinq premiers pulsateurs de type solaire observés avec CoRoT. Un soin particulier a été consacré à l'étude de la significativité des pics détectés, qui a permis de conforter la détection de modes mixtes dans le spectre de l'étoile HD 49385. Dans le cadre de mon travail de modélisation et d'interprétation, j'ai recherché les informations qu'apportent les paramètres sismiques sur la structure du cœur de certaines des étoiles analysées. Ces étoiles possèdent (ou ont possédé) un cœur convectif, dont les caractéristiques dépendent des processus de transport des éléments chimiques (e.g. l'overshooting), aujourd'hui mal décrits par les modèles théoriques. J'ai modélisé trois pulsateurs de type solaire de masses et de stades évolutifs différents, dont les paramètres sismiques permettent de sonder le cœur et donc de contraindre observationnellement les processus de transport. En particulier, la détection dans l'étoile HD 49385 de modes mixtes en croisement évité m'a amené à étudier l'apport de ce type de mode à la compréhension de la structure du cœur.

Cette thèse étudie l'influence des échelles stellaires et galactiques sur l'observation de jeunes amas stellaires. Une étude complète du phénomène de ségrégation de masse est faite pour en déduire l'erreur systématique induite lors de l'estimation de la masse de ces amas jeunes à partir des observations (lumineuses) et du théorème du viriel. Cette étude a été rendue possible par le développement de bibliothèques ruby permettant d'interfacer évolution stellaire et banque spectrale avec l'analyse. L'influence des échelles galactiques est explorée via la reproduction du système des Antennes et la récupération du tenseur de marée correspondant le long de l'orbite d'un amas dans ce système. Les implications de ce concept sont discutées, notamment l'apparition de zones complètement compressives possiblement à l'origine de la formation d'une partie des amas observés ou de leur survie primordiale. Son inclusion dans un code à sommation directe a été effectuée.

Un des enjeux majeurs de la théorie de l'évolution stellaire est de comprendre l'influence des processus de transport liés aux mouvements macroscopiques engendrés par la rotation sur la structure interne et l'évolution des étoiles. En particulier, le transport turbulent des éléments chimiques dû à la rotation différentielle dans les zones radiatives des étoiles est actuellement pris en compte dans de nombreux codes d'évolution stellaire comme un processus diffusif dont le coefficient est déterminé à partir d'arguments phénoménologiques. Le but de cette thèse est de contraindre l'un de ces coefficients, le coefficient de diffusion radiale induit par la rotation différentielle radiale, à l'aide de simulations numériques directes décrivant les mouvements turbulents engendrés par un cisaillement forcé localement dans une zone radiative d'étoile. L'exploration du domaine des très fortes diffusivités thermiques - ou, de manière équivalente, des petits nombres de Péclet -- typiques des intérieurs stellaires a été rendue possible par l'utilisation d'un développement asymptotique des équations de Boussinesq adapté. Le principal résultat ce cette thèse est que nos simulations numériques sont en accord avec la forme du coefficient de diffusion proposée par J.-P. Zahn dans le régime des nombres de Péclet turbulents inférieurs à un. Les résultats obtenus pour des nombres de Péclet supérieurs à un sont en accord avec le modèle de Lindborg & Brethouwer (2008) proposé dans un contexte géophysique. Les simulations réalisées en prenant en compte l'effet dynamique de la stratification chimique nous ont également permis de valider un des modèles utilisés dans les codes d'évolution stellaire et d'en éliminer un autre.

La diffusion atomique joue un rôle déterminant dans l'évolution d'étoiles de plusieurs types (Michaud 1970). Dans ces étoiles, la diffusion atomique est principalement régie par la compétition entre l'accélération gravitationnelle et les accélérations radiatives et peut par ce biais mener à de fortes anomalies d'abondances. À l'aide d'un modèle évolutif qui considère les accélérations radiatives de 28 espèces, il est possible de modéliser plusieurs types d'étoiles de Population I, incluant le Soleil (Turcotte et al. 1998a), les étoiles de type F (Turcotte et al. 1998b), les étoiles AmFm (Richer et al. 2000; Richard et al. 2001) et les étoiles de métallicité solaire ayant une masse entre 0.5 et 1.4 Msol (Michaud et al. 2004), ainsi que des étoiles de Pop II (Michaud et al. 2005). Cependant, les modèles qui ne considèrent que la diffusion atomique comme processus de transport dans les intérieurs stellaires génèrent des anomalies d'abondance plus grandes que celles observées pour les étoiles de type Am, Ap et HgMn. Dans ces étoiles, il y a donc un ou plusieurs autres processus qui peuvent influencer le transport de particules, tels la circulation méridionale, la turbulence et la perte de masse. L'objet de cet thèse est de contraindre l'importance de la perte de masse dans l'intérieur de plusieurs étoiles chimiquement particulières de Pop I et Pop II, tout en essayant de différencier ces effets par rapport à ceux reliés aux processus de mélange turbulents. / Atomic diffusion plays an important role in the evolution of many types of stars (Michaud 1970). In these stars, elemental migration is modulated by the competition between radiative accelerations and gravity, and can thus lead to important abundance anomalies both in the interior and at the surface of these stars. With a stellar evolution model which considers detailed particle transport with radiative accelerations for 28 elements, one can study the evolution of many types of stars of Pop II including the Sun (Turcotte et al. 1998a), F stars (Turcotte et al. 1998b), AmFm stars (Richer et al. 2000; Richard et al. 2001), as well as less massive stars (0.5 to 1.4 Msol) with solar metallicity (Michaud et al. 2004). Furthermore, such a model can also look into the evolution of Pop II chemically peculiar stars (Michaud et al. 2005). However, models which consider atomic diffusion as the sole process affecting particle transport lead to abundance anomalies which are greater than the ones observed. There is thus at least one macroscopic process which is preventing such large anomalies to appear at the surface. These processes include mass loss, meridional circulation and turbulence. The main goal of this thesis is to constrain the relative importance of mass loss in the interiors of many chemically peculiar stars of Pop I and Pop II, as well as to properly differentiate its effects from those generated by turbulent mixing processes.