Ce mémoire présente, pour la première fois, des analyses détaillées d’étoiles naines blanches montrant à la fois des éléments lourds et de forts champs magnétiques. Ces analyses sont effectuées à l’aide d’un tout nouveau code d’atmosphère pouvant calculer la position et la force des raies de tous les éléments (du carbone au cuivre) en régime Paschen-Back pour une géométrie de notre choix. Dans un premier temps, nous décrivons l'effet d'un champ magnétique sur les niveaux d'énergie atomiques, par l'effet Zeeman en champ faible puis en régime Pashen-Back lorsque l'approche perturbative n'est plus valide. Nous explorons ensuite l’effet de la géométrie du champ magnétique, notamment les différences entre les modèles calculés en supposant un champ magnétique uniforme (ou constant dans l'espace) et ceux ayant une géométrie dipolaire. Certaines études ont récemment affirmé qu’en présence d’un champ magnétique intense le mouvement convectif était fortement atténué, de sorte que l’atmosphère devenait pratiquement radiative (Tremblay et al., 2015). Nous explorons brièvement l’impact que peut avoir la suppression du transport d’énergie convective sur les résultats d’analyses d’étoiles magnétiques. Dans le but d'améliorer les analyses d'étoiles magnétiques, nous avons implémentés certains changements aux modèles d'atmosphères utilisés, tel que l'ajout du traitement magnétique des raies métalliques. Nos nouveaux outils nous permermetterons d'analyser de manière rigoureuse, pour la première fois, les étoiles G165-7, J2105+0900 et LHS 2534, trois étoiles magnétiques avec présence d'éléments lourds. Nous étudions leurs paramètres atmosphériques tels que la température effective, gravité de surface et abondances de métaux à partir de modèles standards ainsi qu’à partir de modèles radiatifs ou la convection a été artificiellement inhibée par la présence d’un champ magnétique intense. Nous observons que nos modèles riches en hydrogène sans convection ne reproduisent plus les observations, contrairement à ceux riches en hélium où la convection se produit hors de la région de formation des raies (soit plus profondément). Nous observons finalement qu'un champ magnétique dipolaire centré avec l'étoile ne reproduit pas bien les profils des raies d'un même multiplet, puisque les composantes sigma (celles à gauche et à droite de la raie centrale) prédites sont trop larges. Les observations spectroscopiques sont mieux reproduites à partir de modèles ayant un champ magnétique de surface constant, ou avec un dipôle toujours fortement décalé selon l’axe -z, indiquant que la géométrie réelle du champ magnétique est probablement plus complexe qu’un simple dipôle. / We present, for the first time, detailed analyses of white dwarf stars showing heavy metal lines and large magnetic fields. These analyses are carried out with a new atmosphere code able to compute the position and strength of lines for all elements (from carbon to copper) in the Paschen-Back regime for an arbitrary geometry. Firstly, we describe the effect of a magnetic field on the atomic energy levels, first with the Zeeman effect for weak fields then in the Paschen-Back regime when the pertubative approach is no longer valid. We then explore the effect of the magnetic field geometry, especially the differences between models calculated assuming a constant field and those with a dipolar geometry. Some studies recently suggested that in the presence of an intense magnetic field, the convective movement is strongly inhibited, renderingthe atmosphere mostly radiative (Tremblay et al., 2015). We briefly explore the impact the suppression of the convective energy transport can have on the analyses' results of magnetic stars. In order to carry out a thorough analysis of some magnetic stars, we have applied changes to the atmospheric models used, for example by adding magnetic treatment of metallic lines. With these new tools, we analyse for the first time, in a rigorous manner, the stars G165-7, J2105+0900 and LHS 2534, three magnetic stars showing heavy elements. We study their atmospheric parameters such as the effective temperature, surface gravity and metal abundances, and then explore the possibility of having pure radiative atmospheres, where the convection would be inhibited by intense magnetic fields. We find that hydrogen rich models cannot reproduce observations, unlike those rich in helium where the convective movement takes place out of the line forming region. We finally note that a centered dipolar magnetic field is not able to reproduce the line profiles of a given multiplet, since the sigma components (those to the left and the right of the central line) predicted are too broad. Spectroscopic observations are better reproduced with constant magnetic field models, or with a strongly offset dipole in the -z axis, indicating that the actual field geometry probably is more complex than a simple dipole.

Cette thèse présente les avancées dans l'étude des étoiles naines blanches magnétiques. L'étude des étoiles naines blanches en général, le state final d'évolution de près de 95% des étoiles de notre galaxie, permet d'obtenir de l'information cruciale sur leurs progéniteurs. Se pencher sur les propriétés des champs magnétiques des étoiles naines blanches par opposition à celles de leur progéniteur, beaucoup plus difficiles à observer en partie à cause de la faible intensité du champ, est bien plus réalisable. Plusieurs hypothèses ont été formulées afin de décrire l'origine et l'évolution de ces objets atypiques. Que les champs soient d'origine fossile suite à l'évolution d'une étoile isolée et conservation du flux magnétique, ou créés lors de la rotation rapide de la fusion de deux étoiles, il nous faut bien comprendre leur résultat, les naines blanches magnétiques, avant de pouvoir retracer leur évolution. Toutefois, les modèles de naines blanches magnétiques d'aujourd'hui reposent sur un nombre d'approximation, qui ne sont valides jusqu'à une relativement faible intensité de champ. Ceci a été la motivation derrière ce projet de doctorat. Nous avons implémenté un traitement des raies d'absorption utilisant le calcul des énergies de transition de l'atome d'hydrogène et d'hélium sous champs magnétiques arbitraires. Ces calculs, fournis par le groupe de l'université de Tübingen en Allemagne, ont utilisé une approche numérique à la résolution de l'Hamiltonien de l'atome d'hydrogène et d'hélium en présence d'un champ magnétique d'intensité arbitraire. Cet ajout aux modèles d'atmosphères permet de modéliser la position et l'intensité des raies d'absorption dans le spectre des étoiles. Une procédure de discrétisation de la surface visible de l'étoile nous permet de modéliser des champs magnétiques avec une géométrie arbitraire, tel qu'un dipôle décentré et incliné par rapport à l'observateur. Ces nouveaux outils ont été utilisés afin d'étudier en premier lieu un ensemble des naines blanches magnétiques avec une atmosphère riche en hydrogène. De ces résultats, nous avons déterminé une distribution de masse de ces étoiles, avec une masse moyenne significativement plus élevée que leurs homologues non-magnétiques, tels qu'attendu par les théories d'évolution binaires. Les informations extraites des différentes caractéristiques des distributions obtenues suite à cette analyse ne nous permettent cependant pas de favoriser une hypothèse d'évolution plutôt qu'une autre. Suite à ceci, celles avec une atmosphère riche en hélium ont été les prochaines à être analysées. Nous avons ainsi déterminé rigoureusement, pour la première fois, les paramètres magnétiques de ces étoiles riches en hélium. / This thesis presents advances in the study of magnetic white dwarf stars. The study of white dwarf stars in general, the final state of evolution of nearly 95% of the stars in our galaxy, provides crucial information about their progenitors. It is much more feasible to study the magnetic field properties of white dwarf stars as opposed to their progenitor stars, which are much more difficult to observe in part because of the weak field strength. Several hypotheses have been formulated to describe the origin and evolution of these atypical objects. Whether the fields are of fossil origin following the evolution of an isolated star and conservation of magnetic flux, or created during the rapid rotation of the merger of two stars, we need to understand their result, the magnetic white dwarfs, before we can trace their evolution. However, today's models of magnetic white dwarfs rely on a number of approximations, which are only valid up to relatively low field strengths. This was the motivation behind this doctoral thesis. We have implemented a treatment of the absorption lines using the calculation of the transition energies of the hydrogen and helium atom under arbitrary magnetic fields. These calculations, provided by the group of the University of Tubingen in Germany, used a numerical approach to the resolution of the Hamiltonian of the hydrogen and helium atom in the presence of a magnetic field of arbitrary intensity. This addition to atmospheric models allows to model the position and intensity of absorption lines in the spectrum of stars. A discretization procedure of the visible surface of the star allows us to model magnetic fields with an arbitrary geometry, such as an offset and inclined dipole. These new tools have been used to study first a set of magnetic white dwarfs with a hydrogen-rich atmosphere. From these results, we have determined a mass distribution of these stars, with an average mass significantly higher than their non-magnetic counterparts, as expected by the binary evolution theories. The information extracted from the different characteristics of the distributions obtained from this analysis does not however allow us to favor one evolutionary hypothesis over another. Following this, those with a helium rich atmosphere were the next to be analyzed. We have thus determined rigorously, for the first time, the magnetic parameters of these helium-rich stars.

Ce mémoire présente une analyse comparative des paramètres atmosphériques obtenus à l’aide des techniques photométrique et spectroscopique. Pour y parvenir, les données photométriques et spectroscopiques de 1375 naines blanches de type DA tirées du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ainsi que les données spectroscopiques du Villanova White Dwarf Catalog ont été utilisées. Il a d’abord fallu s’assurer que les données photométriques et spectroscopiques étaient bien calibrées. L’analyse photométrique a démontré que la photométrie ugriz ne semblait pas avoir de problème de calibration autre que le décalage des points zéro, qui est compensé en appliquant les corrections photométriques appropriées. De plus, le fait que le filtre u laisse passer le flux à certaines longueurs d’onde dans le rouge ne semble pas affecter la détermination des paramètres atmosphériques. L’analyse spectroscopique a ensuite confirmé que l’application de fonctions de correction permettant de tenir compte des effets hydrodynamiques 3D est la solution au problème de log g élevés. La comparaison des informations tirées des données spectroscopiques des deux différentes sources suggère que la calibration des spectres du SDSS n’est toujours pas au point. Les paramètres atmosphériques déterminés à l’aide des deux techniques ont ensuite été comparés et les températures photométriques sont systématiquement plus faibles que celles obtenues à partir des données spectroscopiques. Cet effet systématique pourrait être causé par les profils de raies utilisés dans les modèles d’atmosphère. Une méthode permettant d’obtenir une estimation de la gravité de surface d’une naine blanche à partir de sa photométrie a aussi été développée. / We present a comparative analysis of atmospheric parameters obtained with the so-called photometric and spectroscopic techniques. Photometric and spectroscopic data for 1375 DA white dwarfs from the Sloan Digital Sky survey (SDSS) are used, as well as spectroscopic data from the Villanova White Dwarf Catalog. We first test the calibration of the ugriz photometric system by using model atmosphere fits to observed data. Our photometric analysis indicates that the ugriz photometry appears well calibrated when the SDSS standard photometric corrections are applied. We also show that the reported red leak of the u filter does not affect the results of the photometric analysis. The spectroscopic analysis of the same data set reveals that the so-called high log g problem can be solved by applying published correction functions that take into account 3D hydrodynamical effects. However, a comparison between the SDSS and the White Dwarf Catalog spectroscopic data also suggests that the SDSS spectra still suffer from a small calibration problem. We then compare the atmospheric parameters obtained from both fitting techniques and show that the photometric temperatures are systematically lower than those obtained from spectroscopic data. This systematic offset may be linked to the hydrogen line profiles used in the model atmospheres. We finally explore the results of a technique aimed at measuring surface gravities using photometric data only.

Ce mémoire présente une recherche détaillée et une analyse des étoiles naines blanches hybrides chimiquement stratifiées dans le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Une seule étoile stratifiée, PG 1305-017, était connue avant notre recherche. L'objectif principal est de confirmer l'existence de plusieurs nouvelles étoiles stratifiées. Pour ce faire, il a fallu dans un premier temps développer une nouvelle génération de modèles d'atmosphère à partir de ceux de Bergeron et al. (1991) et Tremblay & Bergeron (2009). Nous y avons ajouté l'opacité de toutes les raies d'hélium et les calculs nécessaires pour tenir compte de la stratification chimique de l'atmosphère, où une mince quantité d’hydrogène flotte en équilibre diffusif au-dessus d’une enveloppe massive d’hélium. En parallèle, nous avons aussi calculé des modèles standards, chimiquement homogènes. Ensuite, nous avons sélectionné des naines blanches chaudes (Teff > 30,000 K) de type spectral hybride (traces d'hélium et d'hydrogène) parmi les ~38,000 naines blanches répertoriées dans le SDSS. Un total de 52 spectres d'étoile a été retenu dans notre échantillon final. La technique spectroscopique, c'est-à-dire l'ajustement des raies spectrales des modèles sur un spectre observé, a été appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon. Nous avons ainsi mesuré la température effective, la gravité de surface et la composition chimique de l'atmosphère de ces étoiles. Par l'ajustement simultané de modèles stratifiés et homogènes, nous avons aussi pu déterminer si les étoiles étaient stratifiées ou non. Nous identifions ainsi 14 naines blanches stratifiées. Nous tirons de ces résultats plusieurs conclusions sur les processus physiques expliquant la présence d'hélium dans l'atmosphère. / We present a detailed research and analysis of chemically stratified hybrid white dwarf stars in the Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Only one stratified star, PG 1305-017, was known before our analysis. The main objective is to confirm the existence of several new stratified stars. To do so, we initially had to develop a new generation of model atmospheres from those of Bergeron et al. (1991) and Tremblay & Bergeron (2009). We added the opacity of all the helium lines and the necessary calculations to account for the chemical stratification of the atmosphere, where a thin hydrogen layer floats in diffusive equilibrium on top of a more massive helium layer. In parallel, we also calculated a grid of standard models, which are chemically homogeneous. Then, we selected hot white dwarfs (Teff > 30,000 K) with a hybrid spectral type (traces of helium and hydrogen) from the ~38,000 white dwarfs listed in the SDSS. A total of 52 spectra were retained in our final sample. The spectroscopic technique, i.e. the fit of model spectra to an observed spectrum, was applied to all stars in our sample. Thereby, we have measured the effective temperature, the surface gravity and the chemical composition of these stars. By simultaneously fitting stratified and homogeneous models, we have also been able to determine if the stars were stratified or not. We identify 14 stratified white dwarfs. From these results, we draw several conclusions on the physical processes explaining the presence of helium in the atmosphere.

L'étude des différentes populations d'étoiles de la Voie Lactée permet de décrire l'histoire de sa formation et de son évolution. Ainsi, le présent travail de thèse constitue une étape supplémentaire dans notre volonté de mieux comprendre l'origine du disque galactique. La compilation de données chimiques et cinématiques et l'identification des groupes cinématiques nous a permis d'établir un état des lieux de nos connaissances sur les relations entre les abondances chimiques et la cinématique du disque mince et du disque épais. A partir d'échantillons significatifs, nous avons pu confirmer certaines de leurs propriétés déjà observées, de mieux contraindre des points plus controversés et enfin de rapporter de nouveaux faits observationnels. Cependant notre étude n'est basée que sur plusieurs centaines d'étoiles situées dans notre voisinage solaire. C'est pourquoi il a été mis au point TGMETalpha, une méthode automatique, dite de ''distance minimum'', basée sur la comparaison de spectres observés avec une grille de spectres synthétiques, permettant de déterminer les paramètres atmosphériques tels que Teff, logg, [Fe/H] et surtout [alpha/Fe] pour de grands volumes de données spectroscopiques à basse et haute résolutions. TGMETalpha offre ainsi la possibilité de sonder beaucoup plus loin de part et d'autre du plan galactique. Cela a été en partie réalisé grâce au catalogue d'étoiles du SDSS, DR3, qui contient plusieurs milliers d'objets situés loin du plan galactique. Notamment entre 1 et 3 kpc, là où le disque épais est la population dominante. Cela a permis d'étudier les propriétés du disque épais en relation avec une population représentative du halo. Certaines propriétés du disque épais et du halo ont pu être vérifiées et de nouveaux faits observationnels ont été mis en évidence, notamment, l'existence d'un gradient radial négatif, significatif, dans le disque épais, ce qui n'avait jamais été montré auparavant. Cette nouvelle contrainte forte indique que la production des éléments alpha par rapport au fer a été plus efficace dans les régions centrales de la galaxie que dans les régions externes. Ce nouveau fait doit être absolument pris en compte dans les prochains scénarios de formation du disque. De plus la présence de débris de galaxies satellites semble être mise en évidence, à partir de leur vitesse de rotation, de leur métallicité [Fe/H] et de leur rapport [alpha/Fe], dans la population du halo, à |z|> 8 kpc. Pour aller plus loin, TGMETalpha pourrait être utilisé pour analyser un plus grand nombre d'étoiles (par exemple à partir du DR5 mais aussi du survey SEGUE qui est l'extension du SDSS, ou encore du survey RAVE ou Gaia) et ainsi analyser les propriétés du disque épais, du halo mais aussi de nombreux ''moving groups'' comme des reliquats de galaxies satellites.

Nous présentons une analyse homogène de 1023 naines blanches de type DZ et 319 de type DQ. Ceci représente un progrès important par rapport aux précédentes analyses de ce type, notamment Dufour et al. (2005; 56 DQs) et Dufour et al. (2007; 159 DZs). Nous utilisons les parallaxes trigonométriques de la deuxième parution de données de Gaia, ainsi que la photométrie du Sloan Digital Sky Survey, PanSTARRS, Gaia ou de la photométrie BVRI prise de la littérature, qui nous permettent de déterminer la masse de la vaste majorité des objets de notre échantillon. Nous utilisons les méthodes photométriques et spectroscopiques conjointement avec les plus récents modèles d'atmosphère disponibles incluant les effets de haute densité pour déterminer la température, la gravité de surface et les abondances des éléments pour chaque objet. Nous étudions l'abondance d'hydrogène dans les étoiles DZ et les propriétés des planétésimaux accrétés. Nous trouvons un grand nombre d'étoiles polluées dont les progéniteurs ont une masse supérieure à trois masses solaires, démontrant que la formation d'objets rocheux est commune autour de ce type d'étoiles. Nous présentons des distributions de masses pour les deux types spectraux. Celle des étoiles DQ montre deux populations séparées, dont une plus massive. Nous explorons la nature de celle-ci à l'aide des mouvements propres de Gaia et discutons qu'il s'agit possiblement d'une population d'étoiles ayant fusionné. Nous observons les traces de la cristallisation dans les étoiles DQ massives. Finalement, nous discutons de l'évolution spectrale et présentons les paramètres atmosphériques pour chaque objet. / We present a homogeneous analysis of 1023 DZ and 319 DQ white dwarf stars taken from the Montreal White Dwarf Database. This represents a significant increase over the previous comprehensive studies on these types of objects, namely those of Dufour et al. (2005; 56 DQs) and Dufour et al. (2007; 159 DZs). We use new trigonometric parallax measurements from the Gaia second data release, together with photometry from the Sloan Digital Sky Survey, PanSTARRS, Gaia, or BVRI from the literature, which allow the determination of the mass for the majority of the objects in our sample. We use the photometric and spectroscopic techniques with the most recent atmosphere models available, which include high density effects, to accurately determine the effective temperature, surface gravity, and heavy element abundances for each object. We study the abundance of hydrogen in DZ white dwarfs and the properties of the accreted planetesimals. We find many white dwarfs dwarfs with progenitor masses above 3 solar mass, demonstrating that the formation of rocky material is not rare around this type of stars. We also present mass distributions for both spectral types. We explore the nature of the second sequence of DQ stars using proper motions from Gaia and discuss the possibility that it is a population of merged white dwarfs. We highlight evidence of crystallization in massive DQ stars. Finally, we discuss the implications of our findings in the context of the spectral evolution of white dwarfs, and provide the atmospheric parameters for each star.

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