Dans le cadre d'une campagne d'observation d'étoiles chaudes massives avec le satellite ultraviolet FUSE, plus de 700 spectres visibles d'un échantillon de 200 étoiles massives ont été recueillis avec le télescope du mont Mégantic entre 1999 et 2002. Actuellement la méthode de classification des étoiles OB est qualitative et manque de précision. La banque de spectres des étoiles massives est également dépourvue d'un large échantillon de données ce qui vient appauvrir la caractérisation des étoiles OB. Cette classification a des conséquences, entre autres, sur le développement des codes d'atmosphère stellaire et des codes de synthèse spectrale évolutive des jeunes populations stellaires. Au cours de ma maîtrise, j'ai donc introduit une certaine uniformité dans les critères de classification des étoiles OB à l'aide des données obtenues au mont Mégantic. De cette étude, je conclus qu'il est possible d'obtenir une classification valide des étoiles OB à l'aide de critères quantitatifs. Les raies d'hydrogène, d'hélium et de magnésium permettent en effet d'effectuer cette classification quantitative. Toutefois, une vérification à l'aide de critères qualitatifs sera toujours nécessaire. / As a part of a hot, massive stars observing campaign with the ultraviolet satellite FUSE, more than 700 spectra of 200 massive stars, in the visible range, were gathered with the mont Mégantic telescope between 1999 and 2002. The current classification method for OB stars is qualitative and lacks precision. The number of spectra of massive stars is also limited, which worsens the characterization of OB stars. The classification of massive stars has an impact on several aspects, including the development of stellar atmosphere codes and evolutionary spectral synthesis codes for young stellar populations. During my master's degree, I have standardized the criteria used in the classification of OB stars using the mont Mégantic data. I can conclude from this study that it is possible to obtain a valid classification of OB stars using quantitative criteria. The hydrogen, helium and magnesium lines make in fact this quantitative classification possible. However, one has to keep in mind that qualitative criteria will always be a necessity.

Les supergéantes rouges (RSG) sont des étoiles massives ( 10 < Msun < 30) qui, grâce à leur haute luminosité infrarouge, sont des indicateurs des distances intergalactiques et des sondes de la structure galactique. La compréhension de leurs propriétés est cruciale et elle touche à différents thèmes astrophysiques.<br />Les simulations numériques 3D d'hydrodynamique radiative (RHD), obtenues avec le code CO5BOLD (Freytag, Steffen, Ludwig et al.), aident à trouver la réponse aux principales questions concernant les RSGs.<br />J'ai conçu un code de transfert radiatif en 3D qui calcule des spectres et des cartes d'intensité à partir des simulations RHD. Grâce à cet outil, j'étudie en détail les principales caractéristiques des modèles RHD à différentes longueurs d'onde. J'examine ensuite l'impact de la convection sur les raies spectrales en terme d'asymétries et de décalages, et je prédis les variations de bisecteurs et du photocentre en vue de futures observations.<br />Par la suite, je cherche les vitesses caractéristiques de l'atmosphère des RSGs, et je constate que les simulations sont en accord avec les observations même si l'amplitude des vitesses est plus petite que celle observée.<br />Les structures convectives affectent les courbes de visibilités et les clôtures de phases, qui montrent clairement une nette déviation de la symétrie circulaire. Tout en les analysant, je cherche des contraintes pour les simulations RHD et je montre que l'interférométrie est le moyen observationnel privilégié pour caractériser la convection dans les RSGs.<br />Le problème majeur des simulations RHD est le traitement gris des opacités. J'explore les effets du passage au non-gris sur les observables en utilisant un premier modèle de test non-gris.

Je présente, dans cette thèse, une nouvelle méthode d’analyse des spectres stellaires, basée sur la statistique bayésienne et l’utilisation de modèles atmosphériques, que j’applique à l’étude d’un échantillon d’étoiles de type B. L’originalité de cette méthode réside dans l’analyse simultanée d’un grand nombre de raies spectrales, mais aussi dans la détermination, également simultanée, d’un nombre important de paramètres stellaires, ainsi que dans le calcul automatique d’incertitudes incluant les variations possibles de chacun des paramètres, la qualité des données et, dans une certaine mesure, les limitations du modèle théorique employé. Les principaux avantages d’une telle méthode sont l’homogénéité de ses résultats, sa robustesse face au bruit, son efficacité même à faible résolution spectrale, sa polyvalence (car elle est applicable à tous types d’étoiles et de modèles), sa simplicité d’utilisation (la méthode est largement automatisée), et sa relative rapidité d’exécution (selon le nombre de paramètres ajustés, l’analyse d’une étoile prend entre 20 secondes et 5 minutes avec un ordinateur moderne). Dans ce document, j’illustre, au travers de nombreux tests théoriques et statistiques, les performances et les capacités, mais aussi les limitations et les biais possibles de cette méthode. La comparaison des résultats que j’obtiens pour mon échantillon d’étoiles B, avec ceux d’autres groupes de recherche, est plutôt satisfaisante et me permet de mettre en avant certains défauts des méthodes traditionnelles d’analyse, mais aussi de relever deux problèmes importants propres au modèle d’atmosphère (TLUSTY) que j’utilise. Puis, avec les paramètres obtenus, je détermine l’âge, la masse et les distances des étoiles de mon échantillon, donne une estimation inédite de l’âge et de la distance de deux amas ouverts, et confirme la différence de vitesses de rotation qui existe entre les étoiles du champ et des amas. La comparaison de mes distances avec les données HIPPARCOS et les mesures d’extinction des deux amas révèle également un accord satisfaisant. Enfin, je propose des pistes d’amélioration de ma méthode et donne un exemple d’utilisation plus générale et plus en adéquation avec les observations multiobjets ou à grande échelle qui se poursuivent à l’heure actuelle. / I present, in this thesis, a new stellar spectra analysis method, based on bayesian statistics and theoretical atmopheric models, which I apply to a sample of B type stars. The originality of this method lies in the simultaneous analysis of a large number of spectral lines combined with the simultaneous determination of a large number of stellar parameters, as well as in the automatic calculation of the uncertainties. These uncertainties are linked to the possible variations of each parameter, the data quality and, to some extent, to the limitations of the theoretical model used. The main advantages of this method are the homogeneity of its results, its robustness to noise, its effectiveness even at low spectral resolution, its versatility (as it is applicable to all types of star), its ease of use (the method is largely automated), and its relatively fast execution (depending on the number of adjusted parameters, the analysis of a star takes between 20 seconds and 5 minutes with a modern computer). I show, through numerous theoretical and statistical tests, the performance and the capabilities, but also the limitations and the possible bias of this method. The comparison of the results I get for my sample of B stars, with the results from other research groups, is quite satisfactory. This comparaison also allows me to highlight some of the shortcomings of traditional analytical methods, and to address two significant issues specific to the atmosphere model that I use (TLUSTY). Next, with the parameters obtained, I determine the age, mass, and distances of my sample stars, give for the first time an estimate of the age and distance of two open clusters, and confirms the difference in rotational velocity between field and cluster stars. The comparison of my distances with the HIPPARCOS data and the published extinctions of the two clusters reveals a satisfactory agreement. Finally, I propose ways to improve my method and provide an example of a more general application in relation with modern large scale or multi-object surveys.

Les mécanismes physiques de la perte de masse des étoiles évoluées sont encore largement inconnus. Ce processus essentiel est pourtant le moteur principal de l'évolution chimique du milieu interstellaire. Pour les supergéantes rouges (SGR), le déclenchement de l'éjection de la matière et les mécanismes de condensation de la poussière demeurent mal compris. La façon dont les géantes rouges parviennent à former des nébuleuses planétaires non-Sphériques est aussi inconnue. Au cours de ma thèse j'ai étudié des étoiles évoluées grâce à des techniques de haute résolution angulaire permettant de détailler leur surface et leur environnement proche où se trouve l'origine de la perte de masse. À partir d'observations interférométriques en infrarouge (IR), j'ai caractérisé l'enveloppe de vapeur d'eau et de monoxyde de carbone de la SGR Bételgeuse. J'ai également suivi l'évolution d'un point chaud à sa surface et analysé la structure de sa convection ainsi que celle d'Antarès (une autre SGR très proche) grâce à des simulations hydrodynamiques radiatives. L'imagerie à la limite de diffraction (optique adaptative en IR, télescope spatial en ultraviolet) m'a permis d'étudier l'évolution des inhomogénéités de l'enveloppe circumstellaire de Bételgeuse et découvrir un disque circumstellaire autour de L2 Puppis, une étoile de la branche asymptotique des géantes. Ces observations multi-Longueurs d'onde, répétées à plusieurs époques, m'ont permis d'initier un suivi temporel et d'apporter des informations sur la dynamique en jeu. Renouvelé sur un plus grand échantillon d'étoiles dans les années à venir, ce programme permettra de mieux appréhender la perte de masse des étoiles évoluées. / Mass loss of evolved stars is still largely mysterious, despite its importance as the main evolution engine for the chemical composition of the interstellar medium. For red supergiants (RSG), the triggering of the outflow and the mechanism of dust condensation remain unknown. Concerning red giant stars, we still do not know how their mass loss is able to form a bipolar planetary nebula. During my PhD thesis, I observed evolved stars with high angular resolution techniques. They allowed us to study the surface and the close environment of these stars, from where mass loss originates. With near-Infrared interferometric observations, I characterized the water vapor and carbon monoxide envelope of the nearby RSG Betelgeuse. I also monitored a hot spot on its surface and analyzed the structure of its convection, as well as that of Antares (another very nearby supergiant) thanks to radiative hydrodynamical simulations. Diffraction-Limited imaging techniques (near-Infrared adaptive optics, ultraviolet space telescope) allowed me to observe the evolution of inhomogeneities in the circumstellar envelope of Betelgeuse and to discover a circumstellar disk around L2 Puppis, an asymptotic giant branch star. These multi-Scale and multi-Wavelength observations obtained at several epochs allowed us to monitor the evolution of the structures and to derive information on the dynamics of the stellar environment. With a wider stellar sample expected in the next few years, this observing program will allow a better understanding of the mass loss of evolved stars.

L'eau est un constituant essentiel de l'atmosphère de supergéantes rouges (RSG), mais dont l'influence reste mal comprise. Le spectre observé de l'eau de ces étoiles ne peut être reproduit que par l'ajout d'une coquille de gaz moléculaire, les MOLsphères. Cependant, l'hypothèse des MOLsphères reste fragile et sujette à caution. Dans le but de mieux interpréter les spectres observés, la synthèse de spectres hors équilibre thermodynamique local est une approche potentiellement importante. Les effets hors ETL étant potentiellement fort, ils pourraient être en mesure de lever les problèmes de l'interprétation des raies de l'eau sans ajout de MOLsphère et impliquer un rôle important dans la dynamique de l'atmosphère. Pour cela, nous avons développé une méthode originale en mesure de résoudre l'équation de transfert pour les nombreuses transitions radiatives de l'eau sans approximationETL. Cette méthode a été mise en oeuvre via le développement d'un code de transfert radiatif parallèle. Les premiers résultats montrent que les effets hors ETL dans l'atmosphère des RSG, et leur impact sur le spectre comme sur certaines observables utilisées pour sonder ces étoiles, sont importants / Water is an important constituent of the atmosphere of red supergiant stars (RSG), which influence remains however poorly understood. The water spectrum of these stars can apparently be only reproduced through the addition of a detached shell of cool molecular gas, the so-called MOLspheres. However, this hypothesis is still cautious. In order to better interpret observed spectra, non local thermodynamic equilibrium (NLTE) spectrum synthesis may be potentially important. NLTE effects being potentially important, they may alleviate the problems in the interpretation of water spectra, and affect the atmosphere dynamics. We thus developed an original method to solve the radiative transfer equation, adapted to the numerous water transitions and without the LTE approximation. This method has been implemented in an original parallel code. Preliminary results show that NLTE effects in RSG atmospheres and their impact on observables such as the emergent spectrum are very important.

Le centre de la Galaxie abrite un trou noir supermassif nommé Sgr A*. Grâce à l'instrument GRAVITY, les capacités de haute résolution angulaire du VLTI permettront pour la première fois l'observation directe de l'environnement immédiat d'un tel trou noir. Pour atteindre ce but astrophysique, il est nécessaire d'obtenir des observables interférométriques de grande précision et d'appliquer des techniques de reconstruction d'images. Dans ce contexte, j'ai pu dans une première partie de ma thèse, employer différentes méthodes d'imagerie interférométrique en infrarouge suite à l'observation de la supergéante rouge Alpha Orionis (Bételgeuse) avec l'interféromètre à trois télescopes IOTA. Ces travaux ont pu notamment conduire à la mise en évidence de structures asymétriques brillantes à la surface de l'étoile qui sont très probablement de nature convective.<br /><br />La précision des observables interférométriques conditionne la qualité de la reconstruction d'image. Dans une deuxième partie, j'ai pu pratiquer une étude des performances interférométriques simulées de GRAVITY afin d'estimer la précision sur les phases et visibilités qu'il délivrera. Afin d'optimiser les futures observations de GRAVITY, il est essentiel d'avoir une idée des caractéristiques spatiales et temporelles de son objectif scientifique majeur qu'est Sgr A*. Pour cela, j'ai pu finalement participer à une campagne d'observation multi-longueurs d'onde de l'environnement de ce trou noir. A cette occasion, j'ai utilisé le mode BURST du spectro-imageur VISIR pour obtenir une haute résolution angulaire et une grande sensibilité au rayonnement de Sgr A*. Ceci m'a conduit à obtenir une limite supérieure la plus basse jamais enregistrée à 8,6 microns. Autre fait marquant, ces observations ont révélé la présence d'un sursaut d'intensité lumineuse en proche infrarouge. Si le processus de rayonnement n'est pas encore parfaitement modélisé, ces observations tendent à confirmer que les sursauts tirent leur origine d'un mouvement orbital de matière à quelques rayons de Schwarzschild de Sgr A*.<br /><br />Grâce à sa précision astrométrique de 10 micro-secondes d'angle, correspondant à un rayon de Schwarzschild à la distance du Centre Galactique, GRAVITY sera en mesure de résoudre le mouvement orbital de ces spots de matière et de comprendre la nature d'un tel rayonnement. De plus, il permettra la mesure directe de la métrique d'espace-temps et l'étude de la relativité générale en champ fort.

Cette thèse porte sur les grandes questions concernant le magnétisme des étoiles massives, c'est-à-dire les étoiles qui termineront leur vie par une supernova puisqu'elles sont plus massives que huit fois la masse de notre Soleil. Nous nous intéressons en particulier à l'effet d'un champ magnétique sur la structure et l'évolution de ces étoiles, ainsi qu'à l'origine de ce champ. En effet, les théories actuelles prédisent que la présence d'un champ magnétique chez une étoile massive aura une influence marquée sur son cheminement, par le biais d'une modification de la perte de masse et de la rotation, deux ingrédients clés de l'évolution stellaire. Nous avons entrepris un relevé spectropolarimétrique des étoiles massives appartenant à deux amas d'étoiles, l'amas de la nébuleuse d'Orion et l'amas de la nébuleuse de la Rosette, à l'aide de l'instrument ESPaDOnS installé au télescope Canada-France-Hawaii. Nous avons détecté trois étoiles magnétiques, dont deux nouvelles détections, toutes situées dans l'amas de la nébuleuse d'Orion. Nous avons évalué la fréquence du magnétisme pour chacun de ces amas, et déterminé que leurs fréquences d'étoiles magnétiques semblent être statistiquement différentes. La fréquence générale du magnétisme chez les étoiles massives, déterminée à partir de nos observations, est d'au moins 11%. À l'aide d'observations spectropolarimétriques, nous avons déterminé les caractéristiques magnétiques des étoiles de l'amas de la nébuleuse d'Orion, grâce à notre méthode de modélisation contemporaine basée sur les statistiques bayésiennes. Nous sommes donc en mesure d'obtenir une distribution des forces de champs magnétiques à la surface des étoiles OB de l'amas de la nébuleuse d'Orion. Cette distribution semble pointer vers deux populations distinctes, en accord qualitatif avec l'idée qu'un champ magnétique d'origine fossile ne peut survivre qu'au-dessus d'une certaine force. De plus, nous avons comparé cette distribution avec celle prédite par les modèles d'origine fossile des champs des étoiles à neutrons. Il semble que les étoiles massives ont, à première vue, assez de flux magnétique pour expliquer les champs magnétiques des pulsars. Nous avons de plus étudié l'effet de l'interaction d'un champ magnétique avec le vent radiatif généralement puissant présent chez les étoiles massives. Nous avons déterminé que les étoiles OB magnétiques ne montrent pas systématiquement d'émission en rayons X plus lumineuse, plus dure et plus variable que celle prédite par un vent non magnétique.

Dans ce mémoire, je présente l'étude d'une étoile évoluée, massive et très brillante au cœur de l'amas ouvert vdBH 245, basée sur l'analyse spectrale quantitative de ses étoiles membres et l'utilisation de modèles d'évolution stellaire. L'analyse spectrale consiste en l'ajustement global de spectres synthétiques sur des spectres visibles observés par l'instrument GMOS (Gemini Multi-Object Spectrograph). Les modèles d'atmosphères sont tirées de la grille de modèle d'atmosphère d'étoile B précoce BSTAR2006, calculé avec le code d'atmosphère stellaire TLUSTY. À l'aide des résultats de cette analyse, de la photométrie infrarouge des relevés VVV (VISTA Variables in the Via Lactea) et 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) ainsi que de l'astrométrie du relevé Gaia et des catalogues PPMXL et VIRAC2 (VVV Infrared Astrometric Catalogue, version 2), j'arrive à confirmer l'appartenance des étoiles à l'amas et à en déduire leurs températures effectives et luminosités. Ces quantités permettent de tracer le diagramme Hertzsprung-Russel (HR) de la population, et d'estimer les propriétés fondamentales des étoiles de l'amas à l'aide de modèles évolutifs tenant compte d'une variété de mécanismes, telles la rotation stellaire et les interactions binaires. Les études précédentes qui se sont penchées sur l'amas sont en désaccord sur sa distance et son âge. En plus d'enquêter sur les propriétés d'une étoile surbrillante découverte dans le cœur de l'amas vdBH 245, les résultats de notre étude nous permettent de produire de nouveaux estimés de ces propriétés à l'aide de la plus récente photométrie infrarouge du relevé VVV et de nouvelles données astrométriques. En supposant une population d'étoiles nées simultanément, l'âge de l'amas peut aussi être contraint en identifiant le point dans le diagramme HR où les étoiles ont commencé à quitter la séquence principale. En estimant l'âge de l'amas, il est ensuite possible de mesurer sa masse totale, et de proposer des scénarios expliquant la présence de l'étoile surbrillante au cœur d'un amas qui semble, à première vue, beaucoup trop vieux pour l'accueillir. Les premiers chapitres de ce mémoire mettent l'accent sur le prétraitement des spectres visibles préalablement réduits, leur analyse spectrale quantitative et la méthode par laquelle le type spectral et la classe de luminosité sont évalués pour chaque étoile membre de l'amas vdBH 245 considérés dans cette étude. La dernière section est un article scientifique qui complète cette étude, où j'y présente l'interprétation des résultats en me basant sur des modèles évolutifs de l'équipe de Genève et ceux du code BPASS (Binary Population and Spectral Synthesis). Cette étude contribue à la caractérisation des rares amas ouverts jeunes observés et étudiés dans notre Galaxie, contenant une étoile aux apparences exotiques. L'étude de ce type d'objet dans leur milieu natal est crucial à notre compréhension de la formation stellaire, de son évolution pour les étoiles massives, ainsi qu'à la mise à l'épreuve des modèles évolutifs et leur perfectionnement. / In this thesis, I present the study of a bright and evolved massive star in the heart of the open cluster vdBH 245, based on a quantitative spectral analysis of its stellar content and the use of stellar evolution models. The spectral analysis involves the global fitting of synthetic spectra on optical spectra observed by the GMOS (Gemini Multi-Object Spectrograph) instrument. Atmosphere models and synthetic spectra are drawn from the model grid for early B-type stars BSTAR2006, calculated by the stellar atmosphere code TLUSTY. Using the results of the spectral analysis, the infrared photometry from the VVV (VISTA Variables in the Via Lactea) and 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) surveys and the astrometry of the Gaia survey and the PPMXL and VIRAC2 (VVV Infrared Astrometric Catalogue, version 2) catalogues, I confirm the cluster membership of $\sim$10 early B-type stars to vdBH 245, and measure their effective temperatures and luminosities. These quantities allow the construction of the Hertzsprung-Russel diagram (HRD) of the cluster population, and estimation of the fundamental properties of the stars using evolution models that account for various mechanisms, such as stellar rotation and binary interactions. The previous studies on the open cluster vdBH 245 disagree with its age and distance. In addition to investigating the overluminous star discovered in the heart of the cluster, this study allows new estimates of these properties using the more recent infrared photometry from the VVV survey and new astrometric data. By assuming a coeval population, the age of the cluster can also be constrained by identifying its main-sequence turn-off, i.e. the region in the HRD where stars are leaving the main-sequence. By estimating the age, we can then measure its total mass, and propose different scenarios that can explain the presence of an overluminous yellow supergiant in a cluster that appears too old to foster it. The first chapters of this thesis focus on the preprocessing and quantitative spectral analysis of the optical spectra, as well as the methods used to assign a spectral type and luminosity class of each star that were confirmed to be members of the open cluster vdBH 245. The last chapter presents the scientific paper that completes this study, in which I interpret the results using the stellar evolution models of the Geneva team and those of the BPASS (Binary Population and Spectral Synthesis) code. This last part contributes to the effort of characterizing these rare young open clusters observed and studied in our Galaxy, that contain stars with exotic appearances. The study of this type of object in its natal environment is crucial to our understanding of stellar formation, massive star evolution, and the testing of stellar evolution models and their improvements.