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

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

LE TRAVAIL QUE J'AI EFFECTUE PENDANT LA PREPARATION DE MON DOCTORAT S'INSCRIT DANS LA THEMATIQUE DE FORMATION STELLAIRE DEVELOPPEE PAR L'EQUIPE FOST DU LABORATOIRE D'ASTROPHYSIQUE DE GRENOBLE. MA THESE S'EST DEROULEE EN DEUX PARTIES, S'AXANT AUTOUR DES ETOILES DE TYPE SPECTRAL M PUIS AUTOUR DES ETOILES DE TYPE L. MES DIRECTEURS DE THESE AVAIENT EFFECTUE SUR UN ECHANTILLON STATISTIQUEMENT BIEN DEFINI DE NAINES M SIX ANNEES D'OBSERVATIONS QUI M'ONT PERMIS D'EFFECTUER ENTIEREMENT LA PREMIERE STATISTIQUE DE MULTIPLICITE DES ETOILES DE CE TYPE, DONNANT LE TAUX DE MULTIPLICITE DE 25 %. EN CE QUI CONCERNE LES NAINES L, J'AI DEBUTE L'ETUDE DE MULTIPLICITE EN COMMENCANT DES OBSERVATIONS SYSTEMATIQUES QUI ONT PERMIS DE DEGAGER DES RESULTATS PRELIMINAIRES. LA PREMIERE PARTIE DE CE MANUSCRIT CONSTITUE UNE INTRODUCTION DETAILLEE SUR LE CONTEXTE DE MON TRAVAIL. JE PRESENTE LES OBJETS QUE J'AI ETUDIES, L'ETAT DE L'ART EN MATIERE DE FORMATION STELLAIRE, ET ENFIN LE LIEN EXISTANT ENTRE CES PROCESSUS DE FORMATION ET LA STATISTIQUE DE MULTIPLICITE D'UNE FAMILLE D'ETOILE. JE PRECISE DANS CE DERNIER CHAPITRE COMMENT UNE STATISTIQUE DE MULTIPLICITE PEUT PERMETTRE D'OBTENIR DES CONTRAINTES SUR LES PROCESSUS DE FORMATION POSSIBLE POUR UNE CATEGORIE D'ETOILE. LES DEUX PARTIES SUIVANTES SONT LIEES AUX DEUX TYPES D'ETOILES QUE J'AI EXAMINES. DANS CHACUNE D'ELLE, JE RELATE LE TRAVAIL EFFECTUE ET LES RESULTATS OBTENUS POUR CES OBJETS. A LA FIN DE CE MANUSCRIT, FIGURENT PLUSIEURS ANNEXES DANS LESQUELLES IL M'A PARU UTILE DE REVENIR EN DETAIL SUR DES ASPECTS PRECIS DE MON ETUDE OU DES DIFFICULTES PARTICULIERES, OU DE FAIRE FIGURER LES TABLEAUX OU FIGURES TROP VOLUMINEUX POUR ETRE DANS LE CORPS DU TEXTE.

Mon travail de thèse se place dans le contexte dynamique de la détection directe des compagnons de faible masse (naines brunes, planètes extrasolaires) dans le but de caractériser leurs propriétés physiques et chimiques et de comprendre leurs mécanismes de formation et d'évolution. Cette recherche requiert l'emploi de techniques d'observations à haut contraste et à haute résolution angulaire pour résoudre l'environnement proche des étoiles et ne pas être limité par leur flux. Dans ce cadre, j'ai eu la chance de participer à des campagnes d'observations pour tenter de détecter de nouvelles sources. J'ai élaboré un ensemble d'outils de traitement et d'analyse des données pour extraire les spectres et les flux des objets dans des bandes photométriques. Enfin, j'ai utilisé ces informations pour étudier les propriétés physiques (rayon, masse, âge) et atmosphériques (composition, température effective, gravité de surface) de ces objets. La première partie de ce manuscrit se focalise sur la détection par imagerie des compagnons de faible masse jeunes (< 100 millions d'années). Je décris un ensemble d'outils de réduction et d'analyse, spécifiques à la technique d'imagerie angulaire différentielle, que j'ai mis en place. Ces outils ont été utilisés sur des données provenant de l'instrument NaCo situé au Very Large Telescope (Chili). Ils ont permis de re-détecter la planète extrasolaire β Pictoris b. Ce compagnon est le plus proche de son étoile de toutes les exoplanètes détectées directement. Cette découverte fournit la preuve directe que des planètes géantes se forment en moins de 12 millions d'années à l'intérieur de disques. Je présente enfin l'analyse complémentaire que j'ai mené pour initier la caractérisation de cet objet particulier. Le second volet de mon travail, présenté dans la deuxième partie du manuscrit, est axé sur la détermination des propriétés spectroscopiques dans le proche infrarouge (1.1-2.5 µm) des objets de faible masse jeunes. Ce travail à débuté par l'optimisation et le développement d'outils de traitement et d'analyse des données du spectrographe intégral de champ SINFONI assisté par optique adaptative. Les efforts déployés ont permis d'analyser le spectre du compagnon naine brune/exoplanète AB Pic b. Ce travail s'est poursuivi par la construction d'une bibliothèque de spectres d'objets jeunes. Cette bibliothèque fournie un ensemble de spectres de référence pour l'étude des compagnons détectés. Elle apporte des contraintes inédites sur les dernières générations de modèles d'atmosphère froids. Enfin, j'ai tiré parti de l'expérience acquise sur les instruments NaCo et SINFONI pour caractériser le système binaire TWA 22AB qui pourrait calibrer les modèles d'évolution des objets de faible masse.

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

Ce travail présente les résultats d'une étude détaillée des propriétés statistiques et physiques des binaires de naines brunes et ultra-froides (type spectral plus tardif que M7). <br /><br />Concernant les propriétés statistiques, nous constatons que la fréquence de binaires parmi les objets ultra-froids est inférieure a celle des objets de types spectraux plus precoces, avec une limite inférieure à 10~15% pour les objets du champ, et <10% dans l'amas ouvert des Pleiades. Alors que nous étions capables d'identifier les systèmes binaires jusqu'a des séparations de ~100 U.A, nous n'avons trouvé aucun système mutliple aux séparations superieures a 20U.A. A plus grande séparation encore, aucune binaire n'a été trouvée par les surveys 2MASS, DENIS ou SDSS. La distribution des séparations est semblable à celle des naines F et G (gaussienne), mais avec un maximum autour de 4~8 U.A. Bien que nous étions sensibles aux binaires avec des rapports de masse allant jusqu'a 0,6, nous n'avons detecte aucune binaire avec un rapport de masse inferieur a ~0,6; la plupart des objets ayant un rapport de masse plus grand que 0,85. Ce résultat devra être confirmé par d'autres études sur des échantillons mieux definis statistiquement. Bien que l'échantillon de binaires connues dans les Pleiades soit trop petit pour nous permettre de faire une analyse semblable, nous obervons que la fréquence de binaires, les distributions de rapport de masse et de séparations sont semblables, indiquant que les propriétés des naines brunes binaires ne dépendent probablement pas de l'âge et de l'environnement passe 125 millions d'annees. Enfin, bien que nous n'ayons pas eu l'occasion de pouvoir mener une etude statistique similaire dans une region de formation stellaire, nous presentons la première détection d'une jeune naine brune binaire entouree d'un disque dans la region de la Couronne Australe (R-CrA). <br /><br />Ces résultats apportent de fortes contraintes sur les modèles de formation et d'évolution. La fréquence de binaires n'est actuellement reproduite correctement par aucun des modèles. Les modèles d'éjection pourraient expliquer le manque de binaires aux separations superieures a 20 U.A ainsi que le manque apparent de systèmes de faibles rapports de masses, mais elle prévoit une fréquence de binaires beaucoup trop faible. Le modele prevoyant que les naines brunes se forment d'une maniere analogue aux etoiles pourrait quant a lui reproduire la fréquence de binaires que nous observons, mais ne pourrait pas expliquer les distributions de rapport de séparation et de masse. Plus d'efforts sont donc necessaires a la fois du côté théorique afin de pouvoir expliquer les propriétés observées, et du côté observationnel pour apporter des contraintes nouvelles et plus precises. <br /><br />Concernant les propriétés physiques des binaires de naines ultra-froides, nos observations ont mene à la découverte d'une binaire de naines L de courte periode. Les observations à haute résolution angulaire réparties sur quatre ans nous ont permis de suivre le compagnon sur 60% de son orbite. Pour la première fois, nous avons pu calculer les paramètres orbitaux et la masse totale d'un objet de ce type. A moyen terme, ce genre de mesures devraient nous permettre de calibrer la très importante relation masse-luminosite. En utilisant la spectroscopie a haute résolution angulaire, nous avons ete en mesure de separer les spectres des composantes individuelles de quatres binaires de naines ultra-froides, et de calculer leurs types spectraux. Deux de ces binaries ont des compagnons de types spectraux relativement plus tardifs que leurs primaires (3 et 4 sous-classes spectrales de plus), nous permettant de comparer l'evolution de leurs temperatures effectives et leurs atmospheres. Enfin, utilisant nos images a haute résolution angulaire, nous avons détecte une possible troisième composante dans une des binaries de notre échantillon.

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. / The main objective of this thesis is the identification of low-mass star and brown dwarf members of young moving groups in the solar neighborhood. These associations are typically younger than 200 million years and include stars formed at the same time and in the same environment. The majority of their members with masses approximately larger than 0.3 times that of the Sun have already been discovered, however the less massive, fainter members are still elusive. Their identification will allow us to address several fundamental questions in astrophysics. In particular, uncovering young objects that are still warm because of their recent formation will allow us to probe masses down to only a few times the mass of Jupiter, a mass regime which is still poorly understood. They will allow us to constrain the initial mass function and explore the connection between brown dwarfs and exoplanets, given that the least massive brown dwarfs have physical properties similar to those of gaseous giant exoplanets. In order to carry through this project, we have adapted the BANYAN I statistical tool to make it applicable to very low-mass objects in addition to bringing several improvements to the tool. We have included the use of two near-infrared color-magnitude diagrams that allow differentiating young low-mass stars and brown dwarfs from older objects, we added the use of prior probabilities to make its results more realistic, we adapted spatial and kinematic models of moving groups using tridimensional gaussian ellipsoids with axes free to rotate, we performed a Monte Carlo analysis to characterize the rate of false-positive and false-negatives, and we revised the structure of its source code to make it more efficient. As a first step, we have used this new algorithm, BANYAN II, to identify 25 new candidate members among a sample of 158 known young low-mass stars (with spectral types > M4) and brown dwarfs. We have then performed a cross-correlation of two all-sky near-infrared catalogs consisting of ~ 500 million celestial objects to identify approximately 100 000 brown dwarf and low-mass star candidates in the solar neighborhood. We have identified a few hundred promising young association members in this sample with the BANYAN II tool, and have performed a near-infrared spectroscopic survey to characterize them. The work presented here has led to the identification of 79 candidate young brown dwarfs and 150 candidate young low-mass stars, and a spectroscopic follow-up allowed us to confirm the young age of 49 brown dwarfs and 62 low-mass stars. We have thus boosted the number of known young brown dwarfs by a factor ~ 2, opening the door to a statistical characterization of their population. These new young brown dwarfs represent an ideal laboratory to better understand the atmospheres of gaseous giant exoplanets. We have identified the first signs of a turn-up in the initial mass function of very low-mass brown dwarfs in the Tucana-Horologium association, which could indicate that exoplanet scattering plays a significant role in composing their population. Results from this spectroscopic follow-up has allowed us to construct an complete empirical sequence of spectral types M5-L5 for field dwarfs, low-gravity (β) and very low-gravity (γ) dwarfs. We have performed a comparison of these new data with evolution and atmosphere models, and constructed a set of empirical spectral type-magnitude and color-magnitude sequences for young brown dwarfs. Finally, we have discovered two new exoplanets from a direct-imaging follow-up of low-mass stars discovered as part of this project. The future GAIA mission and the complete spectroscopic follow-up of the candidates presented in this thesis will allow to confirm their membership and to constrain the initial mass function in the substellar regime.

Des nuages moléculaires aux étoiles, l'ensemble des stades d'évolution des étoiles jeunes peuvent être observés dans le domaine submillimétrique. A cette fin, le télescope Herschel a observé, dans le cadre d'un relevé de la Ceinture de Gould, plusieurs nuages moléculaires. Lorsque ces nuages se fragmentent, des coeurs denses, accumulant de la poussière et du gaz, se forment et se contractent. Nous avons effectué un relevé exhaustif des coeurs denses préstellaires dans le nuage moléculaire d'Ophiuchus qui apparaissent couplés avec des structures filamentaires dans le cadre du paradigme de la formation d'étoiles au sein de filaments interstellaires. La région n'était pas connue pour être filamentaire, malgré des alignements de protoétoiles observables. Ce nuage moléculaire présente la particularité d'être soumis à une rétroaction importante venant d'étoiles actives à proximité, visible dans la structure du nuage moléculaire. Oph B-11, mise en évidence par des observations interférométriques, est un précurseur de naine brune, de masse finale trop faible pour que l'étoile produite brûle de l'hydrogène. Leur mécanisme de formation est mal connu. Il faut caractériser et observer un premier candidat pré-naine brune. Oph B-11 a été détectée à proximité d'un choc proche, que nous avons caractérisé chimiquement. De plus, à plus haute résolution avec ALMA, nous avons montré l'environnement moléculaire structuré, contraint le mécanisme de formation de ce type d'objet. Ces observations dévoilent une série de chocs dans plusieurs traceurs, coïncidant avec la détection de la pré-naine brune, favorisant le scénario gravo-turbulent pour la formation des naines brunes. / From molecular clouds to stars, every step of the evolution of young stars can be observed in the submillimetric range. The Herschel Space Telescope observed, as part of the Herschel Gould Belt Survey, many molecular clouds.When these molecular clouds are fragmenting, dense prestellar cores accumulating dust and gaz are forming and contracting. We performed a census of prestellar dense cores in the Ophiuchus Molecular Cloud, which appear to be coupled with filamentary structures, as part of the paradigm of star-formation inside insterstellar filaments. The region was not previously known as filamentary, despite the observation of protostellar alignments.This molecular could is under the heavy feedback of active stars nearby seen in the structure of the molecular cloud.Oph B-11, detected with interferometric observations, is a brown dwarf precursor, which final mass will not be important enough for the final star to burn hydrogen. Their formation mechanism is not well constrained, we must find and characterize a first candidate pre-brown dwarf.Oph B-11 was detected along a nearby shock, we characterize chemically. Moreover, higher resolution studies with ALMA show a structured molecular environment, and help us constrain the mechanism of formation of this kind of objects. These observations show a series of shocks in differents tracers, spatially coincident with the detected position of the pre-brown dwarf, in favor of the gravo-turbulent scenario for the formation of brown dwarfs.

J'ai consacré mon travail de thèse à la recherche de quasars à haut redshift dans le sondage Canada France High-z Quasar Survey in the Near Infrared (CFHQSIR). L'objectif principal de ce programme est de découvrir des quasars de redshift de l'ordre de z $\sim$ 7 dans les champs larges du CFHTLS (CFHTLS Wide) en utilisant des images réalisées dans le proche infrarouge avec la caméra WIRCam installée au foyer du CFHT. J'ai tout d'abord effectué la calibration photométrique de l'ensemble des données de CFHQSIR. J'ai ensuite étudié la qualité des images ainsi que leur propriété de bruit et leur profondeur. J'ai dans un deuxième temps calculé le nombre de quasars qu'il serait possible de détecter avec CFHQSIR et en ai déduit les contraintes envisageables sur la fonction de luminosité des quasars à z $\sim$ 7. J'ai ensuite procédé à l'identification de candidats quasars parmi les dizaines de milliers de sources que comptent les 130 degrés carrés couvert par CFHQSIR. Des observations de suivi photométriques des candidats ont finalement permis de révéler une cinquantaine d’objets, dont une quinzaine a été sélectionnée pour des observations spectroscopiques au Very Large Telescope (VLT). Celles-ci n’ayant, pour la plupart, pas encore été realisées, la nature exacte de ces sources ne pourra être connue que dans les prochains mois. Pour finir, la dernière partie de ma thèse s’est focalisée sur l’étude de modèles statistiques bayésiens afin de compléter ma méthode de sélection de candidats quasars. Cette étude m'a finalement permis de vérifier que la majorité des objets retenus pour des observations spectroscopiques étaient effectivement les candidats les plus probables. / My PhD work is focused on the search for high-redshift quasars in the Canada France High-z Quasar Survey in the Near Infrared (CFHQSIR). The main scientific objective of this CFHT Large Program is to search for quasars at redshift z $\sim$ 7 with near-infrared images of the CFHTLS Wide fields acquired with the CFHT WIRCam camera. Firstly, I carried out the photometric calibration of the CFHQSIR images. I performed a detailed analysis of the CFHQSIR data by studying their quality, as well as their noise properties and their depths.Secondly, I computed the number of high-redshift quasars that could be detected with CFHQSIR and the corresponding constraints which could be put on the z $\sim$ 7 quasar luminosity function. Then, I proceeded to the identification of quasar candidates among the many thousands of sources in the 130 square degrees covered by CFHQSIR. Photometric follow-up observations of the candidates revealed about fifty objects, of which fifteen were chosen to be spectroscopically observed with the Very Large Telescope (VLT). Given that this spectroscopic follow-up is not yet completed, the exact nature of these sources will only be known in the coming months. To finish, I applied Bayesian model comparison to my sample in order to complete and consolidate my selection procedure. My candidates were finally classified according to their probability to be a high-redshift quasar. I verified that the majority of the most likely candidates were selected for spectroscopic observations.