In this work, the efficiency of the LUMBA UVES pipeline for processing of spectroscopic observations is tested by use on 23 high-resolution spectra of the open star cluster M67. An abundance trend discovered by Gavel et al. (2019) concerning iron abundances of giant and sub-giant stars of that cluster is examined. An initial run for a set of ”Gaia FGK benchmark stars”, as described in Blanco-Cuaresma et al. (2014) and Heiter et al. (2015) helps inspect the structure, method and output of the pipeline. Through Python language programming, processes are greatly automatized and the pipeline is run for a total of 460 weak and strong iron lines of our 23-star sample. The line fitting and efficiency of the pipeline is appreciated by statistically analyzing the results and looking into individual discrepant ones. The abundance trend is reproduced while using FeI lines, unlike runs using FeII lines. Trends in abundance over line strength plots also hint at bias through the Gaia-Eso Survey (GES) microturbulence relation. Using internal Data Release 6 (iDR6) and LUMBA-derived starting parameters, log(g) - Teff plots of our sample stars agree with a previously established 4.3 Gyr cluster age. An alternate run is performed for those stars, using LUMBA-derived starting parameters. The choice of starting parameters does impact abundance derivation, but is not the primary source of persistent systematic discrepancies.

Within this past decade, advances in spectropolarimetric analyses allowed mapping surface characteristics of nearby non-resolved stars with unique characteristics. In this study, we attempt mapping of the magnetic field structure and surface distribution of elements for such a star, the magnetic Ap star phi Dra. Using high-precision photometric data from TESS satellite, we improve its rotation period. Spectrum synthesis calculations allow compilation of a list of lines present in its spectrum. The resulting synthetic spectrum and observed NARVAL spectra are used to re-estimate element abundances. Least-squares deconvolved (LSD) intensity and circular polarisation profiles are then computed from a sample of 1260 metal lines. To determine which element(s) are most suitable for in-depth analysis, variability of LSD profiles is studied qualitatively for Fe, Cr and Si. The longitudinal magnetic field of phi Dra is calculated from LSD circular polarisation profiles. Stellar magnetic field maps and distributions of Fe concentration are derived through Zeeman Doppler Imaging (ZDI). The resulting maps of this study show five areas of high Fe concentrations, in the Northern stellar hemisphere. The magnetic field topology of phi Dra resulting from our analysis is that of an offset dipole with small quadrupole contributions. Our abundance and magnetic maps suggest correlation between high concentrations of Fe and high magnetic field strength. The field is primarily radial in 4 out of 5 such regions, contrary to theoretical expectations.

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange. / The goal of this thesis is to refine and to understand better the spectroscopic method, which compares optical spectra of hydrogen-atmosphere white dwarfs (DA) with synthetic spectra to determine the atmospheric parameters (effective temperature and surface gravity). Our approach rests mainly on the development of improved model spectra, which come themselves from DA model atmospheres. We present a new grid of DA synthetic spectra with the first consistent implementation of the non-ideal gas theory of Hummer & Mihalas and the unified theory of Stark broadening from Vidal, Cooper & Smith. This allows for an adequate treatment of the quenching effects in Balmer lines, without the need of a free parameter. We show that these improved spectra predict surface gravities that are much more stable as a function of the effective temperature. We then study the long-standing problem that surface gravities in cool DA stars are significantly higher than those found in hotter DA white dwarfs. The hypothesis of Bergeron et al., according to which the atmospheres are contaminated by small amounts of helium, is constrained with observations. Using high-resolution spectra collected at the Keck in Hawaii, we find superior limits on the helium abundances in the atmospheres that are nearly 10 times lower than those required to sustain the Bergeron et al. scenario. The grid of spectra calculated in this work is then applied to a new spectroscopic analysis of the DA in the SDSS. Our careful analysis allows us to define a cleaner sample and to identify a large number of double degenerates. We find that a cutoff at a signal-to-noise ratio S/N > 15 optimizes the size and quality of the sample for computing the average mass, for which we find a value of 0.613 solar mass. Finally, eight new 3D white dwarf models with a radiative-hydrodynamics treatment of the convection are presented. We also calculated models with the same physics, except for a treatment of the convection with the standard mixing-length theory. A differential analysis between these two sets of models shows that the 3D models predict considerably lower surface gravities. We conclude that the high-log g problem in cool DA white dwarfs is caused by a weakness in the mixing-length theory.

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange. / The goal of this thesis is to refine and to understand better the spectroscopic method, which compares optical spectra of hydrogen-atmosphere white dwarfs (DA) with synthetic spectra to determine the atmospheric parameters (effective temperature and surface gravity). Our approach rests mainly on the development of improved model spectra, which come themselves from DA model atmospheres. We present a new grid of DA synthetic spectra with the first consistent implementation of the non-ideal gas theory of Hummer & Mihalas and the unified theory of Stark broadening from Vidal, Cooper & Smith. This allows for an adequate treatment of the quenching effects in Balmer lines, without the need of a free parameter. We show that these improved spectra predict surface gravities that are much more stable as a function of the effective temperature. We then study the long-standing problem that surface gravities in cool DA stars are significantly higher than those found in hotter DA white dwarfs. The hypothesis of Bergeron et al., according to which the atmospheres are contaminated by small amounts of helium, is constrained with observations. Using high-resolution spectra collected at the Keck in Hawaii, we find superior limits on the helium abundances in the atmospheres that are nearly 10 times lower than those required to sustain the Bergeron et al. scenario. The grid of spectra calculated in this work is then applied to a new spectroscopic analysis of the DA in the SDSS. Our careful analysis allows us to define a cleaner sample and to identify a large number of double degenerates. We find that a cutoff at a signal-to-noise ratio S/N > 15 optimizes the size and quality of the sample for computing the average mass, for which we find a value of 0.613 solar mass. Finally, eight new 3D white dwarf models with a radiative-hydrodynamics treatment of the convection are presented. We also calculated models with the same physics, except for a treatment of the convection with the standard mixing-length theory. A differential analysis between these two sets of models shows that the 3D models predict considerably lower surface gravities. We conclude that the high-log g problem in cool DA white dwarfs is caused by a weakness in the mixing-length theory.

The physics pertaining to the asymptotic giant branch (AGB) phase of stellar evolution has been studied for many years. However, the mechanics behind many characteristics displayed at this stage are still not fully understood. As a member of the Long Period Variable class of stars, AGB stars are invaluable in creating three-dimensional maps of the Milky Way, the Magellanic System and other galaxies with resolved stellar populations. Variable stars can be used to determine radial distances from Earth using their periodic luminosity variations. As this type of star has unknown qualities, models of AGB populations need to be calibrated with observed data. Previous research has derived a best-fitting model using the TRILEGAL code (a TRIdimensional modeL of thE GALaxy). This model was calibrated against single-epoch luminosity functions (LFs) calculated from resolved stellar populations in the Small Magellanic Cloud (SMC). With multi-epoch data now available from the VISTA survey of the Magellanic Clouds (VMC), this best-fitting model can now be compared with the LFs as they vary with time. Firstly, statistical tests are completed to measure the extent of the LF variation between epochs and from the mean LF for both the full VMC AGB catalogue and for the oxygen-rich, carbon-rich and extreme AGB classes. Statistical tests are then performed to measure the similarity between the LFs from different epochs and the simulated LFs, again for the entire sample and the three classes. This investigation shows that, while the current best-fitting model is a good approximation of many individual epochs’ AGB LFs in the SMC to within 3σ, inclusion of multi-epoch data would make for a more robust analysis. In order to do this, it would be desirable to have more epochs with deeper and regular observations that could cover full lightcurves of some of the sources. There also seems to be a statistical difference between the inner and outer areas of the SMC, perhaps due to tidal disruptions. It would be interesting to see the results of a similar study using the LMC, which is less affected by the gravitational influence of its smaller companion. / <p>This thesis was written under the supervision of Maria-Rosa Cioni at the Leibniz Institute for Astrophysics in Potsdam. The presentation was held online due to the COVID-19 pandemic.</p>

Nous présentons un relevé et une analyse spectroscopiques de plus de 1300 naines blanches brillantes (V < 17.5) et riches en hydrogène. Des spectres dans le domaine du visible avec un rapport signal-sur-bruit élevé ont été obtenus et les données ont ensuite été analysées avec notre méthode spectroscopique habituelle qui compare les profils observés des raies de Balmer à des spectres synthétiques calculés à partir de la dernière génération de modèles d’atmosphère. D’abord, nous présentons une analyse détaillée de 29 naines blanches de type DAO utilisant une nouvelle grille de modèles qui inclut du carbone, de l’azote et de l’oxygène aux abondances solaires. Nous démontrons que l’ajout de ces métaux dans les modèles d’atmosphère est essentiel pour surmonter le problème des raies de Balmer qui empêche un ajustement simultané de toutes les raies de Balmer avec des paramètres atmosphériques cohérents. Nous identifions également 18 naines blanches chaudes de type DA qui souffrent aussi du problème des raies de Balmer. Des spectres dans l’ultraviolet lointain obtenus des archives du satellite FUSE sont ensuite examinés pour démontrer qu’il existe une corrélation entre les abondances métalliques élevées et les cas du problème des raies de Balmer. Les conséquences de ces résultats pour toutes les naines blanches chaudes et riches en hydrogène sont discutées. En particulier, le scénario évolutif pour les naines blanches DAO est révisé et nous n’avons plus besoin d’évoquer l’évolution post-EHB pour expliquer la majorité des étoiles DAO. Finalement, nous élaborons un scénario dans lequel les métaux engendrent un faible vent stellaire qui expliquerait la présence d’hélium dans les étoiles DAO. Ensuite, nous présentons les résultats globaux de notre relevé, ce qui inclut une analyse spectroscopique de plus de 1200 naines blanches de type DA. En premier lieu, nous présentons le contenu spectroscopique de notre échantillon qui contient de nombreuses classifications erronées ainsi que plusieurs naines blanches de type DAB, DAZ et magnétiques. Nous discutons ensuite des nouveaux modèles d'atmosphère utilisés dans notre analyse. De plus, nous utilisons des modèles de naines M pour obtenir de meilleures valeurs des paramètres atmosphériques pour les naines blanches qui sont membres de systèmes binaires DA+dM. Certaines naines blanches uniques et quelques systèmes binaires double-dégénérées sont également analysés de manière plus détaillée. Nous examinons ensuite les propriétés globales de notre échantillon incluant la distribution de masse et la distribution de masse en fonction de la température. Nous étudions également la façon dont les nouveaux profils de raies de Balmer affectent la détermination des paramètres atmosphériques. Nous testons la précision et la robustesse de nos méthodes en comparant nos résultats avec ceux du projet SPY, dans le cadre duquel plus de 300 des mêmes naines blanches ont été analysées d'une manière complètement indépendante. Finalement, nous faisons un retour sur la bande d'instabilité des naines blanches pulsantes de type ZZ Ceti pour voir quels effets ont les nouveaux profils de raies sur la détermination de ses frontières empiriques. / We present a spectroscopic survey and analysis of over 1300 bright (V < 17.5), hydrogen-rich white dwarfs. High signal-to-noise ratio optical spectra were obtained and are then analyzed using our standard spectroscopic technique which compares the observed Balmer line profiles to synthetic spectra computed from the latest generation of model atmospheres. First, we present a detailed analysis 29 DAO white dwarfs using our new up-to-date model atmosphere grids in which we have included carbon, nitrogen, and oxygen at solar abundances. We demonstrate that the inclusion of these metals in the model atmospheres is essential in overcoming the Balmer-line problem, which manifests itself as an inability to fit all the Balmer lines simultaneously with consistent atmospheric parameters. We also identify 18 hot DA white dwarfs that also suffer from the Balmer-line problem. Far ultraviolet spectra from the {\it FUSE} archive are then examined to demonstrate that there exists a correlation between higher metallic abundances and instances of the Balmer-line problem. The implications of these findings for all hot, hydrogen-rich white dwarfs are discussed. Specifically, the possible evolutionary scenario for DAO white dwarfs is revised and post-EHB evolution need no longer be invoked to explain the evolution for the majority of the DAO stars. Finally, we discuss how the presence of metals might drive a weak stellar wind which in turn could explain the presence of helium in DAO white dwarfs. We then present the complete results from our survey, including the spectroscopic analysis of over 1200 DA white dwarfs. First we present the spectroscopic content of our sample which includes many misclassifications as well as several DAB, DAZ and magnetic white dwarfs. We then discuss the new model atmospheres we employ in our analysis. In addition, we use M dwarf templates to obtain better estimates of the atmospheric parameters for those white dwarfs which are in DA+dM binary systems. A handful of unique white dwarfs and double-degenerate binary systems are also analyzed in greater detail. We then examine the global properties of our sample including the mass distribution and mass distribution as a function of temperature. Next, we look at how the new Balmer-line profiles affect the determination of the atmospheric parameters. We then proceed to test the accuracy and robustness of our method by comparing our results to those of the SPY survey which has analyzed over 300 of the same white dwarfs in a completely independent manner. Finally, we also re-visit the ZZ Ceti instability strip and how the determination of its empirical boundaries is affected by the latest line profile calculations.

Nous présentons un relevé et une analyse spectroscopiques de plus de 1300 naines blanches brillantes (V < 17.5) et riches en hydrogène. Des spectres dans le domaine du visible avec un rapport signal-sur-bruit élevé ont été obtenus et les données ont ensuite été analysées avec notre méthode spectroscopique habituelle qui compare les profils observés des raies de Balmer à des spectres synthétiques calculés à partir de la dernière génération de modèles d’atmosphère. D’abord, nous présentons une analyse détaillée de 29 naines blanches de type DAO utilisant une nouvelle grille de modèles qui inclut du carbone, de l’azote et de l’oxygène aux abondances solaires. Nous démontrons que l’ajout de ces métaux dans les modèles d’atmosphère est essentiel pour surmonter le problème des raies de Balmer qui empêche un ajustement simultané de toutes les raies de Balmer avec des paramètres atmosphériques cohérents. Nous identifions également 18 naines blanches chaudes de type DA qui souffrent aussi du problème des raies de Balmer. Des spectres dans l’ultraviolet lointain obtenus des archives du satellite FUSE sont ensuite examinés pour démontrer qu’il existe une corrélation entre les abondances métalliques élevées et les cas du problème des raies de Balmer. Les conséquences de ces résultats pour toutes les naines blanches chaudes et riches en hydrogène sont discutées. En particulier, le scénario évolutif pour les naines blanches DAO est révisé et nous n’avons plus besoin d’évoquer l’évolution post-EHB pour expliquer la majorité des étoiles DAO. Finalement, nous élaborons un scénario dans lequel les métaux engendrent un faible vent stellaire qui expliquerait la présence d’hélium dans les étoiles DAO. Ensuite, nous présentons les résultats globaux de notre relevé, ce qui inclut une analyse spectroscopique de plus de 1200 naines blanches de type DA. En premier lieu, nous présentons le contenu spectroscopique de notre échantillon qui contient de nombreuses classifications erronées ainsi que plusieurs naines blanches de type DAB, DAZ et magnétiques. Nous discutons ensuite des nouveaux modèles d'atmosphère utilisés dans notre analyse. De plus, nous utilisons des modèles de naines M pour obtenir de meilleures valeurs des paramètres atmosphériques pour les naines blanches qui sont membres de systèmes binaires DA+dM. Certaines naines blanches uniques et quelques systèmes binaires double-dégénérées sont également analysés de manière plus détaillée. Nous examinons ensuite les propriétés globales de notre échantillon incluant la distribution de masse et la distribution de masse en fonction de la température. Nous étudions également la façon dont les nouveaux profils de raies de Balmer affectent la détermination des paramètres atmosphériques. Nous testons la précision et la robustesse de nos méthodes en comparant nos résultats avec ceux du projet SPY, dans le cadre duquel plus de 300 des mêmes naines blanches ont été analysées d'une manière complètement indépendante. Finalement, nous faisons un retour sur la bande d'instabilité des naines blanches pulsantes de type ZZ Ceti pour voir quels effets ont les nouveaux profils de raies sur la détermination de ses frontières empiriques. / We present a spectroscopic survey and analysis of over 1300 bright (V < 17.5), hydrogen-rich white dwarfs. High signal-to-noise ratio optical spectra were obtained and are then analyzed using our standard spectroscopic technique which compares the observed Balmer line profiles to synthetic spectra computed from the latest generation of model atmospheres. First, we present a detailed analysis 29 DAO white dwarfs using our new up-to-date model atmosphere grids in which we have included carbon, nitrogen, and oxygen at solar abundances. We demonstrate that the inclusion of these metals in the model atmospheres is essential in overcoming the Balmer-line problem, which manifests itself as an inability to fit all the Balmer lines simultaneously with consistent atmospheric parameters. We also identify 18 hot DA white dwarfs that also suffer from the Balmer-line problem. Far ultraviolet spectra from the {\it FUSE} archive are then examined to demonstrate that there exists a correlation between higher metallic abundances and instances of the Balmer-line problem. The implications of these findings for all hot, hydrogen-rich white dwarfs are discussed. Specifically, the possible evolutionary scenario for DAO white dwarfs is revised and post-EHB evolution need no longer be invoked to explain the evolution for the majority of the DAO stars. Finally, we discuss how the presence of metals might drive a weak stellar wind which in turn could explain the presence of helium in DAO white dwarfs. We then present the complete results from our survey, including the spectroscopic analysis of over 1200 DA white dwarfs. First we present the spectroscopic content of our sample which includes many misclassifications as well as several DAB, DAZ and magnetic white dwarfs. We then discuss the new model atmospheres we employ in our analysis. In addition, we use M dwarf templates to obtain better estimates of the atmospheric parameters for those white dwarfs which are in DA+dM binary systems. A handful of unique white dwarfs and double-degenerate binary systems are also analyzed in greater detail. We then examine the global properties of our sample including the mass distribution and mass distribution as a function of temperature. Next, we look at how the new Balmer-line profiles affect the determination of the atmospheric parameters. We then proceed to test the accuracy and robustness of our method by comparing our results to those of the SPY survey which has analyzed over 300 of the same white dwarfs in a completely independent manner. Finally, we also re-visit the ZZ Ceti instability strip and how the determination of its empirical boundaries is affected by the latest line profile calculations.