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<p>We use numerical simulations to examine the fragmentation of protostellar discs via gravitational instability (GI), a proposed formation mechanism for gas-giant planets and brown dwarfs. To accurately model heating and cooling, we have implemented radiative transfer (RT) in the TreeSPH code Gasoline, using the flux-limited diffusion approximation coupled to photosphere boundary cooling. We present 3D radiation hydrodynamics simulations of discs that are gravitationally unstable in the inner 40 AU; these discs do not fragment because the cooling times are too long. In prior work, one of these discs was found to fragment; however, we demonstrate that this resulted from an over-estimate of the photosphere cooling rate. Fragmentation via GI does not appear to be a viable formation mechanism in the inner 40 AU.</p> <p>We also present simulations of GI in the outer regions of discs, near 100 AU, where we find GI to be a viable formation mechanism. We give a detailed framework that explains the link between cooling and fragmentation: spiral arms grow on a scale determined by the linear gravitational instability, have a characteristic width determined by the balance of heating and cooling, and fragment if this width is less than twice their Hill radius. This framework is consistent with the fragmentation and initial fragment masses observed in our simulations. We apply the framework to discs modelled with the commonly-used beta-prescription cooling and calculate the critical cooling rate for the first time, with results that are consistent with previous estimates measured from numerical experiments.</p> <p>RT is fundamentally important in the star formation process. Non-ionizing radiation heats the gas and prevents small-scale fragmentation. Ionizing radiation from massive stars is an important feedback mechanism and may disrupt giant molecular clouds. We present methods and tests for our implementation of ionizing radiation, using the Optically-Thin Variable Eddington Tensor method.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Le nombre de systèmes planétaires connus ne cesse de croître depuis la découverte de la première exoplanète il y a déjà quelques décennies. Cependant, ces systèmes connaîtront éventuellement la mort de leur étoile, s’ils ne l’ont pas déjà connue. Ces étoiles deviendront des naines blanches. Pourtant, peu de planètes ont été découvertes autour de naines blanches. Une théorie populaire propose la survie des planètes géantes autour de celles-ci. Il est toutefois difficile de rechercher des planètes autour de naines blanches, entre autres, à cause de leurs petits rayons et de leurs raies spectrales peu nombreuses. L’imagerie de noyaux de phase est une méthode prometteuse pour la recherche d’exoplanètes autour de naines blanches puisqu’elle permet l’exploration à des séparations angulaires très petites allant jusqu’à la moitié de la limite de diffraction. Il s’agit de détecter un signal astrophysique par l’entremise de l’annulation des erreurs de phase instrumentales produites par le télescope. Ce projet vise à évaluer les performances de l’instrument MIRI du JWST pour détecter des exoplanètes autour de naines blanches avec cette technique. Pour ce faire, les observations de quatre naines blanches ont été analysées. Ce projet a permis de découvrir deux exoplanètes candidates, soient WD 1202−232 b et WD 2105−820 b sur un échantillon de quatre naines blanches. Elles ont été détectées par imagerie directe standard, mais aussi par imagerie de noyaux de phase. Les candidates se trouvent respectivement à une séparation de 1230 ± 20 mas et 2210 ± 20 mas de leur étoile et leurs rapports de flux sont de 63 ± 2 pour le système WD 1202−232 et de 29 ± 3 pour le système WD 2105−820. Si les candidates sont confirmées, la masse de WD 1202−232 b se situerait entre 1 et 7 \(M_J\), alors que la masse de WD 2105−820 b se situerait entre 1 et 2 \(M_J\). Des analyses et des simulations ont aussi été faites dans le but de tester les performances de l’imagerie par noyaux de phase avec les observations du JWST/MIRI à différents régimes de signal sur bruit. / The number of known planetary systems has been continuously increasing since the discovery of the first exoplanet several decades ago. However, these systems will eventually experience the death of their star, if they have not already. These stars will become white dwarfs. Yet, few planets have been discovered around white dwarfs. A favored theory suggests the survival of giant planets around them. However, it is challenging to search for planets around white dwarfs, among other reasons, due to their small radii and limited number of spectral lines. Kernel phase imaging is a promising method for the search for exoplanets around white dwarfs as it allows exploration at very small angular separations down to half the diffraction limit. This involves detecting an astrophysical signal through the cancellation of instrumental phase errors produced by the telescope. This project aims to evaluate the performance of JWST’s MIRI instrument in detecting exoplanets around white dwarfs using this technique. To achieve this, the observations of four white dwarfs were analyzed. This project has led to the discovery of two candidate exoplanets, namely WD 1202−232 b and WD 2105−820 b, in a sample of four white dwarfs. They were detected through standard direct imaging but also through kernel phase imaging. The candidates are located at a separation of 1230 ± 20 mas and 2210 ± 20 mas from their star, with flux ratios of 63 ± 2 for the WD 1202−232 system and 29 ± 3 for the WD 2105−820 system. If confirmed, the mass of WD 1202−232 b would be between 1 and 7 \(M_J\), while the mass of WD 2105−820 b would be between 1 and 2 \(M_J\). Analyses and simulations were also conducted to test the performance of kernel phase imaging with JWST/MIRI observations under various signal-to-noise regimes.

La détermination de l'extrémité inférieure de la fonction de masse initiale (FMI) prévoit de fortes contraintes sur les théories de la formation des étoiles. IC4665 est un amas d'´étoile jeune (30Myr) et il a situe 356pc de la Terre. L'extinction est Av~ 0.59 ± 0.15 mag. WIRCam Y, J, H et K observations ont été faites par le CFHT et a comprise 10 champs (de 1.1sq.deg totale) et deux zones de contrle de 20'x20' chacun. Diagrammes couleur/magnitude et couleur/couleur ont été utilisées pour comparer les candidats sélectionnées par les modèles BT-SETTL 30 et 50Myr. Les images CH4off et CH4on ont été obtenus avec CFHT/WIRCam plus 0.11 sq.deg. dans IC348. Naines-T ont ensuite été identifiés à partir de leur couleur de 1.69μm d'absorption du méthane et trois candidats nain-T ont été trouvée avec CH4on−CH4 >0.4 mag. Extinction a été estimée à Av~ 5 − 12 mag. Les comparaisons avec les naines-T modèles, et des diagrammes couleur/couleur et magnitude, rejeter 2 entre 3 candidats en raison de leur extrême z′ − J coleur. L'objet reste n'est pas considéré comme un nain avant l'amas en raison d'un argument de densité en nombre ou l'extinction forte Av~ 12 mag, ni d'être un champ de fond nain-T qui serait devrait être beaucoup plus faible. Les modèles et les schémas de donner cet objet un type T6 préliminaires spectrale. Avec un peu de la masse de Jupiter, ce jeune candidat nain-T est potentiellement parmi les plus jeunes, des objets de masse plus faible détectée dans une région de formation d'´étoiles `a ce jour. Sa fréquence est conforme à l'extrapolation du courant lognormal FMI estime `a au domaine de masse planétaire.

Les naines brunes sont, en termes de masse, les objets astrophysiques intermédiaires entre les planètes géantes gazeuses et les étoiles de faible masse. Elles se forment de la même manière que les étoiles, par contraction gravitationnelle d’un fragment de nuage de gaz moléculaire ayant atteint la limite de Jeans, mais se différencient par leur incapa- cité à produire les réactions de fusion de l’hydrogène dans leur cœur. Les naines brunes sont par conséquent des objets qui se refroidissent graduellement, et dont les propriétés spectrales évoluent au cours du temps. Ce mémoire présente la recherche de nouvelles candidates de type spectral T tardif et Y, dans le but de compléter le relevé des naines brunes du voisinage solaire. Cette recherche est motivée par deux objectifs principaux. Premièrement, un échantillon com- plet des objets de faible masse est nécessaire pour contraindre correctement la limite aux faibles masses de la fonction de masse initiale des nuages interstellaires, problème clé en astrophysique actuellement. Deuxièmement, les naines brunes de types spectraux tardifs sont les objets stellaires dont les propriétés atmosphériques sont les plus semblables à celles des planètes géantes gazeuses. Par conséquent, la recherche de nouvelles naines brunes permet indirectement d’améliorer nos connaissances des exoplanètes, sans être contraints par la proximité d’étoiles brillantes. À partir du WISE All-Sky Source Catalog, nous avons établi un échantillon de 55 candidates naines brunes répondant aux critères photométriques attendus. Parmi ces can- didates, 17 ont fait l’objet d’un suivi photométrique en bande J à l’Observatoire du Mont-Mégantic, et 9 ont pu être détectées. De ces 9 détections, 4 objets présentent des mouvements propres cohérents avec ceux de naines brunes. / In terms of mass, brown dwarfs are the objects that bridge the gap between giant gaseous planets and low-mass stars. They form in the same way as stars, by gravita- tional collapse of a molecular cloud fragment that reached the Jeans limit, but differ by their inability to produce hydrogen nuclear fusion in their core. As a consequence, brown dwarfs are objects gradually cooling, and their spectral properties evolve over time. This thesis presents the search for new late T and Y dwarf candidates, in order to complete the sample of known brown dwarfs in the solar vicinity. This pursues two main objectives. First, a complete sample of low-mass objects will allow to better con- strain the low-mass edge of the initial mass function of interstellar clouds, currently one of the key problems in astrophysics. Second, late-type brown dwarfs are the stellar ob- jects that have spectral properties most similar to those of giant gaseous planets. As a consequence, the search for new brown dwarfs also aims to increase our knowledge on exoplanets, without being hindered by the glare of a host star. From the WISE All-Sky Source Catalog, we established a sample of 55 brown dwarf candidates having the expected photometric properties. We have been performing a J band follow-up of 17 of these candidates at the Observatoire du Mont-Mégantic, and we detected 9 of them. 4 of these 9 detections present a proper motion that is consistent with those of brown dwarfs.

Formées lors de l’effondrement gravitationnel d’un nuage de gaz moléculaire, les étoiles naissantes auront différentes masses variant entre 0.08 et environ 100M . La majorité de la population stellaire de la Galaxie est constituée d’étoiles dont la masse est inférieure à environ 0.6 M . Le dernier évènement de formation stellaire dans le voisinage solaire s’est produit dans la bulle locale il y a au plus 100 millions d’années, vraisemblablement provoqué par le passage d’une onde de choc dans le bras local de la Galaxie. C’est ainsi que se formèrent de jeunes associations d’étoiles dont les membres se caractérisent en particulier par une vitesse spatiale et une position commune dans la Galaxie. Les associations jeunes étant peu densément peuplées et relativement proches du Soleil, leurs membres se font plutôt rares et dispersés sur toute la voûte céleste. Jusqu’à présent, surtout les étoiles les plus massives (brillantes) ont été répertoriées. Les étoiles jeunes de faible masse, constituant la majorité de la population, restent pour la plupart à être identifiées. Les étoiles jeunes de faible masse représentent une population clef pour contraindre les modèles évolutifs des étoiles M et des naines brunes. Elles sont également d’excellentes candidates pour chercher des exoplanètes via les techniques d’imagerie directe. Ce mémoire présente une nouvelle méthode utilisant un modèle cinématique enrichi d’une analyse statistique Bayesienne pour identifier des étoiles jeunes de faible masse dans les associations beta Pictoris, Tucana-Horologium et AB Doradus. À partir d’un échantillon de 1080 étoiles K et M, toutes comportant des indicateurs de jeunesse tels l’émission Halpha et une forte luminosité dans les rayons X, leurs propriétés cinématiques (mouvement propre) et photométriques sont analysées pour en extraire 98 candidates hautement probables membres d’une des trois associations. Une confirmation de leur statut comme membre nécessitera en particulier une mesure de leur vitesse radiale (prédit par notre analyse) et une mesure de la largeur équivalente du lithium à 6708 Å pour mieux contraindre leur âge. / The gravitational collapse of a molecular gas cloud produces the incipient stars with various masses between 0.08 and approximately 100 M . The majority of the stellar galactic population is made up of stars with masses lower than approximately 0.6 M . The last event of stellar formation in the solar neighborhood happened in the local bubble no more than 100 million of years ago, probably caused by the propagation of a shock wave in the galactic local arm. This is how young associations, also called moving groups were formed. Their members are characterized by a common velocity and position within the Galaxy. Young associations, being sparsely populated and relatively close to the Sun, their members are found all over the sky. So far, only the most massive members (luminous ones) have been identified. Young low-mass stars, comprising the majority of the population, remain to be identified. Those stars are expected to be excellent candidates to find exoplanets through direct imaging techniques, while also forming a key population to constrain M stars and brown dwarfs evolutionnary models. This master thesis presents a new method using a kinematical model coupled with a Bayesian statistic analysis to identify young low-mass stars in the beta Pictoris, Tucana- Horologium and AB Doradus associations. Using a sample of 1080 K and M stars, all showing youth indicators such as Halpha emission and X-rays luminosity, their photometric and kinematic properties (proper motion) are analyzed to extract 98 highly probable members distributed over the three associations. Status confirmation as members will require measurement of their radial velocity (predicted by our analysis) and the lithium at 6708 Å equivalent widths to better constrain their age.

Les naines brunes sont des objets astronomiques de faible masse ( 0.012 - 0.075 M_Sun ) et de basse température ( T < 3,500 K ). Bien qu’elles se forment comme des étoiles, c’est-à-dire par l’effondrement d’un nuage de gaz moléculaire, les naines brunes n’ont pas une masse suffisante pour entretenir des réactions de fusion nucléaire en leur coeur. Les naines brunes relativement chaudes (type L) sont recouvertes de nuages de poussière mais ces derniers disparaissent progressivement de l’atmosphère lorsque la température chute sous les 1,500 K (type T). Les naines brunes près de la transition L/T devraient donc être partiellement recouvertes de nuages. De par leur rotation relativement rapide (2 h - 12 h), le couvert nuageux inhomogène des naines brunes devrait produire une variabilité photométrique observable en bande J (1.2 um), la longueur d’onde à laquelle les nuages ont la plus forte opacité. Ce mémoire présente les résultats d’une recherche de variabilité photométrique infrarouge pour une dizaine de naines brunes de type spectral près de la transition L/T. Les observations, obtenues à l’Observatoire du Mont-Mégantic, ont permis le suivi photométrique en bande J de neuf cibles. Une seule d’entre elles, SDSS J105213.51+442255.7 (T0.5), montre des variations périodiques sur une période d’environ 3 heures avec une amplitude pic-à-pic variant entre 40 et 80 mmag. Pour les huit autres cibles, on peut imposer des limites (3 sigma) de variabilité périodique à moins de 15 mmag pour des périodes entre 1 et 6 heures. Ces résultats supportent l’hypothèse qu’un couvert nuageux partiel existe pour des naines brunes près de la transition L/T mais ce phénomène demeure relativement peu fréquent. / Brown dwarfs are astronomical objects of low mass ( 0.012 - 0.075 M_Sun ) and low temperature ( T < 3,500 K ). While they do form like stars through gravitational collapse of a molecular gas cloud, they do not have sufficient mass to sustain nuclear fusion reactions in their core. Relatively hot brown dwarfs (type L) are covered by an homogeneous dust cloud cover that progressively disappears from their atmosphere when the temperature falls below 1,500 K (type T). Therefore, brown dwarfs near the L/T transition should be partially covered with clouds. Due to the fast rotation of brown dwarfs (2 h - 12 h), this inhomogeneous cloud cover should produce photometric variability observable in the J band (1.2 um), the wavelength at which the clouds have the strongest opacity. This thesis presents the results of a search for infrared photometric variability in brown dwarfs near the L/T transition. The observations, obtained at the Observatoire du Mont-Mégantic, have allowed the photometric follow-up of nine targets in the J band. Only one of them, SDSS J105213.51+442255.7 (T0.5), showed periodic variations with a period of about 3 hours with a peak-to-peak amplitude ranging from 40 to 80 mmag. For the remaining eight targets, we can place upper limits (3 sigma) of 15 mmag for the amplitude of periodic variability over a period range betwen 1 and 6 hours. While these results support the hypothesis that partial dust cloud covers do exist among L/T dwarfs, this phenomenon is by no means ubiquitous.

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.

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

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