<p>Stars form in clusters amidst complex and coupled physical phenomena. Among the most important of these is radiative feedback, which heats the surrounding gas to suppress the formation of many low-mass stars. In simulations of star formation, pre-main-sequence modeling has often been neglected and stars are assumed to have the radii and luminosities of zero-age main sequence stars. We challenge this approach by developing and integrating a one-zone protostellar evolution model for FLASH and using it to regulate the radiation output of forming stars. The impact of accurate pre-main-sequence models is less ionizing radiation and less heating during the early stages of star formation. For stars modeled in isolation, the effect of protostellar modeling resulted in ultracompact HII regions that formed slower than in the ZAMS case, but also responded to transitions in the star itself. The HII region was seen to collapse and subsequently be rebuilt as the star underwent a swelling of its radius in response to changes in stellar structure and nuclear burning. This is an important effect that has been missed in previous simulations. It implies that observed variations in HII regions may signal changes in the stars themselves, if these variation can be disentangled from other environmental effects seen in the chaotic cluster environment.</p> / Master of Science (MSc)

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Le gaz neutre dans les galaxies commence seulement à révéler ses secrets. FUSE permet depuis peu de sonder la phase atomique diffuse vers les régions Hii extragalactiques, sièges d'une intense formation d'étoiles. La méthode fait appel à l'analyse du profil des raies d'absorption d'espèces métalliques, telles que Ni, Oi, Si ii, Pii, Ar i ou encore Fe ii, afin de calculer leurs quantités, et d'estimer les abondances des éléments (c'est-à-dire rapportées à la quantité d'hydrogène). Les objets parmi les plus intéressants sont les galaxies bleues compactes. Peu évoluées chimiquement, elles offrent l'opportunité de comprendre l'interaction entre les flambées d'étoiles y prenant place et le milieu interstellaire environnant. Un des enjeux majeurs consiste à éprouver les modèles d'évolution chimique des galaxies en comparant les mesures d'abondances chimiques dans le gaz neutre aux habituelles estimations dans le gaz ionisé de leurs régions Hii. Ce travail de thèse comporte une étude de la galaxie bleue compacte IZw36, qui s'inscrit dans l'échantillon grandissant des galaxies dont le gaz neutre a été étudié avec FUSE, dont IZw18. Le résultat montre que le gaz neutre a déjà été enrichi en métaux, et n'est donc pas de composition chimique primordiale. D'autre part, les métaux semblent sous-abondants dans la phase neutre par rapport à la phase ionisée. Dans notre démarche pour confirmer ces résultats et approfondir la méthode utilisée, une nouvelle approche a consisté à observer les régions Hii géantes dans les galaxies spirales. NGC604, dans M33, est la première région de ce type a être étudiée avec FUSE. L'influence de l'étendue de la source sur les profils des raies d'absorption, le continu stellaire, l'ionisation, sont autant de paramètres qu'il a été possible d'analyser. Finalement, il apparaît que l'azote, l'oxygène et l'argon sont déficients dans le gaz neutre de NGC604, tandis que le fer est similaire dans les phases neutre et ionisée. À ce point, plusieurs raisons physiques peuvent être invoquées pour expliquer ces résultats, mais de futurs travaux seront nécessaires, notamment pour étudier l'influence de composantes saturées non résolues.

Cette thèse bénéficie de la mise à disposition publique récente des grands relevés infrarouges et visibles et s'inscrit dans le cadre de l'Observatoire Virtuel émergent. Nous avons réalisé un "Master Catalogue of stars towards the Magellanic Clouds" (MC2) basé sur l'identification croisée multi-longueur d'onde des catalogues de sources ponctuelles DENIS, 2MASS, GSC-II et UCAC. D'importants résultats sur la précision et la calibration astro-photométriques de ces catalogues ont été établis. Le MC2 est accessible en ligne au travers d'une interface web spécialement conçue pour gérer sa nature composite. Nous avons produit des vues multi-spectrales du GNM, où ses populations stellaires variées se distinguent de façon remarquable dans les diagrammes couleur-couleur et couleur-magnitude construits à partir de magnitudes à la fois visibles et infrarouges. Nous avons calibré les magnitudes absolues des étoiles de type B dans le proche-infrarouge, en fonction de leur type spectral. Nous avons combiné des mesures de distance de grande qualité basées sur les données Hipparcos avec la photométrie homogène des sources ponctuelles proche-infrarouges 2MASS. Les données ont été corrigées de l'extinction et nous avons évalué par le biais de simulations la contribution de divers erreurs de mesure et effets physiques (binarité, rotation) à la dispersion observée sur la calibration. C'est une étape nécessaire à la détermination de la structure du disque jeune Galactique et des distances et propriétés de jeunes amas ouverts découverts par les grands relevés infrarouges tels 2MASS. Nous avons commencé une analyse morphologique et multi-longueur d'onde de régions ionisées et de leurs étoiles dans le GNM, imagées en bande étroite. L'interaction réciproque des étoiles massives avec le milieu interstellaire environnant permet d'approfondir l'histoire de formation stellaire locale et le contenu stellaire de ces régions ainsi que d'obtenir un schéma de leur évolution dynamique.

Les travaux presentés dans cette thèse portent essentiellement sur l'étude des régions de formation d'étoiles massives. Pour cela nous avons etudié l'émission Maser des deux transitions principales du premier état excite du radical hydroxyl (A 6031 et 6035 mhz). Nous avons conduit un relevé sur toutes les régions HII ayant une forte luminosité dans l'infrarouge lointain, plus quelques autres sources connues pour leur émission maser dans l'état fondamental de OH. Sur les 256 sources de notre catalogue, 15 nouvelles sources furent découvertes en émission et 3 en absorption. Nous avons pu mesurer l'intensité du champ magnétique de ces régions par l'intermédiaire de l'effet Zeeman qui d'une manière globale semble en accord avec le sens de rotation de la galaxie. Nous avons etudié 6 de ces sources grâce à la technique VLBI. Nous avons obtenu des franges d'interférence pour toutes les sources et cartographie W3(OH). Les cartes laissent apparaitre une structure complexe et certains points d'émission maser apparaissent résolus. Notre résolution de 5 milliarcsecondes nous a permis de déduire sans ambiguité possible des paires Zeeman qui montrent un champ magnétique variant entre 1 et 10 milligauss. Nous avons également observé avec l'interférométre du plateau de Bure une étoile de faible masse en formation, L1551, obtenant ainsi la première carte millimétrique ayant une résolution inférieure à l'arc seconde. Nous calculons une masse à partir de nos observations de C170 mais surtout cela nous a permis de quantifier la qualité du site de l'interféromètre en nous permettant d'en estimer le seeing.

The stringent response is a highly conserved physiological response mounted by bacteria under stress (Ojha and Chatterji, 2001; Magnusson et al., 2005; Srivatsan and Wang, 2007; Potrykus and Cashel, 2008). Until recently, the only known players in this pathway were the (p)ppGpp synthesizing and hydrolyzing long RSH enzymes (Mittenhuber, 2001; Atkinson et al., 2011) - RelA and SpoT in Gram negative bacteria and the bifunctional Rel in Gram positive bacteria including mycobacteria. The existence of Short Alarmone Synthetases (SAS) (Lemos et al., 2007, Nanamiya et al., 2008; Das et al., 2009; Atkinson et al., 2011) and Short Alarmone Hydrolases (SAH) (Sun et al., 2010, Atkinson et al., 2011), small proteins possessing a single functional (p)ppGpp synthetase or hydrolase domain respectively, is a recent discovery that has modified this paradigm. Around the same time that the presence of the SAS proteins was reported, we chanced upon such small (p)ppGpp synthetases in the genus Mycobacterium. The stringent response in the soil saprophyte Mycobacterium smegmatis was first reported by Ojha and co-workers (Ojha et al., 2000), and the bifunctional RSH, RelMsm, responsible for mounting the stringent response in this bacterium, has been characterized in detail (Jain et al., 2006 and 2007). RelMsm was the only known RSH enzyme present in M. smegmatis, and consequently, a strain of M. smegmatis deleted for the relMsm gene (ΔrelMsm) (Mathew et al., 2004), was expected to show a null phenotype for (p)ppGpp production. In this body of work, we report the surprising observation that the M. smegmatis ΔrelMsm strain is capable of synthesizing (p)ppGpp in vivo. This unexpected turn of events led us to the discovery of a second (p)ppGpp synthetase in this bacterium. The novel protein was found to possess two functional domains – an RNase HII domain at the amino-terminus, and a (p)ppGpp synthetase or RSD domain at the carboxy-terminus. We have therefore named this protein ‘MS_RHII-RSD’, indicating the two activities present and identifying the organism from which it is isolated. Orthologs of this novel SAS protein occur in other species of mycobacteria, both pathogenic and non-pathogenic. In this study, we report the cloning, purification and in-depth functional characterization of MS_RHII-RSD, and speculate on its in vivo role in M. smegmatis. Chapter 1 reviews the available literature in the field of stringent response research and lays the background to this study. A historical perspective is provided, starting with the discovery of the stringent response in bacteria in the early 1960s, highlighting the development in this area till date. The roles played by the long and short RSH enzymes, ‘Magic Spot’ (p)ppGpp, the RNA polymerase enzyme complex, and a few other RNA and proteins are described, briefly outlining the inferences drawn from recent global gene expression and proteomics studies. The chapter concludes with a description of the motivation behind, and the scope of the present study. Chapter 2 discusses the in vivo and in silico identification of MS_RHII-RSD in M. smegmatis. Experiments performed for the genotypic and phenotypic revalidation of M. smegmatis ΔrelMsm strain are described. Detailed bioinformatics analyses are provided for the in silico characterization of MS_RHII-RSD in terms of its domain architecture, in vivo localization, and protein structure prediction. A comprehensive list of the mycobacterial orthologs of MS_RHII-RSD from a few representative species of infectious and non-infectious mycobacteria is included. Chapter 3 summarizes the materials and methods used in the cloning, purification, and the biophysical and biochemical characterization of full length MS_RHII-RSD and its two domain variants – RHII and RSD, respectively. A detailed description of the purification protocols highlighting the specific modifications and changes made is given. Peptide mass fingerprinting to confirm protein identity, as well as preliminary mass spectrometric, chromatographic, and circular dichroism-based characterization of the proteins under study is also provided. Chapter 4 deals in detail with the in vivo and in vitro functional characterization of the RNase HII and (p)ppGpp synthesis activities of full length MS_RHII-RSD and its two domain variants - RHII and RSD, respectively. The RNase HII activity is characterized in vivo on the basis of a complementation assay in an E. coli strain deleted for the RNase H genes; while in vitro characterization is done by performing a FRET-based assay to monitor the degradation of a RNA•DNA hybrid substrate in vitro. The (p)ppGpp synthesis activity is characterized in terms of the substrate specificity, magnesium ion utilization, and a detailed analysis of the kinetic parameters involved. A comparison of the (p)ppGpp synthesis activity of MS_RHII-RSD vis-à-vis that of the classical RSH protein, RelMsm, is also provided. Inferences drawn from (p)ppGpp hydrolysis assays and the in vivo expression profile of MS_RHII-RSD in M. smegmatis wild type and ΔrelMsm strains are discussed. Based on the results of these functional assays, a model is proposed suggesting the probable in vivo role played by MS_RHII-RSD in M. smegmatis. Chapter 5 describes the attempts at generating MS_RHII-RSD overexpression and knockout strains in M. smegmatis, using pJAM2-based mycobacterial expression system, and mycobacteriophage-based specialized transduction strategy, respectively. The detailed methodology and the principle behind the techniques used are explained. The results obtained so far, and the future work and strain characterization to be carried out in this respect are discussed. Chapter 6 takes a slightly different route and summarizes the work carried out in characterizing the glycopeptidolipids (GPLs) from M. smegmatis biofilm cultures. A general introduction about the mycobacterial cell wall components, with special emphasis on GPLs, is provided. The detailed protocols for chemical composition and chromatographic analyses are mentioned, and the future scope of this work is discussed. Appendix-1 briefly revisits the preliminary studies performed to determine the pppGpp binding site on M. smegmatis RNA polymerase using a mass spectrometry-based approach. Appendices-2, 3, 4 and 5 give a comprehensive list of the bacterial strains; PCR primers; antibiotics, buffers and media used; and the plasmid and phasmid maps, respectively.

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Lengo la makala hii ni kujaribu kufafanua jinsi wafasiri walivyotafsiri kwa Kiswahili baadhi ya riwaya zilizoandikwa kwa lugha za kigeni, enzi za baada ya nchi za Afrika kujipatia uhuru. Kwa ajili ya mada yenyewe nimechagua mkusanyo wa riwaya nne zilizotafsiriwa na Watanzania, yaani Shamba la wanyama (kilichoandikwa na Fortunatus Kawegere, 1967), Shujaa Okonkwo (Clement Ndulute, 1973), Mzee na bahari (Cyprian Tirumanywa, 1980) na Barua ndefu kama hii (Clement Maganga, 1994). Wafasiri hao walikabiliana vipi na vipengele vya kitamaduni vya lugha chanzi (za jamii zenye maisha, dini, misemo, methali tofauti na yao n.k.)? Kwa kuzingatia swali hilo, makala inaeleza baadhi ya mbinu zilizotumiwa na watafsiri wa Kiswahili wakishughulika na maandishi kutoka kwa fasihi ya kigeni.

Les amas de galaxies sont l'une des plus grandes structures dans l'univers et jouent le rôle d'hôte de plusieurs phénomènes complexes. Bien qu'il existe beaucoup d'études portant sur leur formation et leur évolution, l'avènement récent de l'apprentissage automatique en astronomie nous permet d'investiguer des questions qui, jusqu'à maintenant, demeuraient sans réponse. Même si ce mémoire se concentre sur l'application de techniques d'apprentissage automatique aux observations en rayons X des amas de galaxies, nous explorons l'usage de ces techniques à son homologue à une échelle réduite : les galaxies elles-mêmes. Malgré le fait que les trois articles présentés dans ce mémoire se concentrent sur différents aspects de la physique, sur de différentes échelles et sur de différentes techniques, ils forment une base d'études que je continuerai pendant mon doctorat : l'usage des nouvelles techniques pour investiguer la physique des régions galactiques et extragalactiques. Dans le premier article, nous introduisons les premières observations en rayons X d'un amas de galaxies lointain qui détient des attributs particuliers comme une formation stellaire hors pair (∽ 900 M⊙/an). Dans cet article, nous employons les techniques traditionnelles en astronomie rayons X pour déterminer si ce taux de formation stellaire est dû à un courant de refroidissement désinhibé. Puisque l'objet est très lointain (z=1.7), il faut faire nos calculs sans beaucoup de photons et il faut donc utiliser les indices par procuration. Nous déterminons que la galaxie centrale est séparée d'une distance de plus de 50 kpc du coeur froid de l'amas. À cause de cette séparation, le trou noir supermassif central n'est pas alimenté et il ne peut pas prévenir le courant de refroidissement. Ceci est le premier exemple d'un amas de galaxies où nous observons l'échec de la rétroaction d'un trou noir supermassif. De plus, ceci nous fournit un autre mécanisme qui peut créer la lumière intra-amas. Dans le deuxième article présenté ici, nous examinons l'émission rayons X provenant du milieu intra-amas extrêmement chaud des amas de galaxies. Nous développons une méthode compréhensive qui détermine le nombre de composantes thermiques sous-jacentes dans un spectre de plasma. Notre nouvelle technique est basée sur une combinaison d'algorithmes d'apprentissage automatique non supervisé (analyse de composantes principales) et d'apprentissage automatique supervisé (arbre aléatoire). Nous créons un ensemble de 100 000 observations synthétiques et réalistes de Chandra qui représentent le gaz chaud dans les amas de galaxies voisines. Après la réduction de notre ensemble d'entraînement à ses 25 composantes principales, nous entraînons notre classificateur afin qu'il puisse déterminer le nombre de composantes thermiques sous-jacentes. Une fois l'étape d'entraînement terminée et l'optimisation des hyperparamètres terminée, nous appliquons la méthodologie à l'amas de galaxies de Persée. En plus de créer une carte de l'amas qui indique le nombre de composantes thermiques nécessaires afin de modéliser précisément l'émission du gaz chaud, nous avons développé un ensemble d'outils numériques qui calculent les températures associées. Nos résultats sont en accord avec plus d'une décennie d'études sur l'amas de galaxies de Persée et nous indiquent qu'il faut utiliser plusieurs composantes thermiques pour modéliser le milieu intra-amas correctement. Le troisième article présenté dans ce mémoire emploie de nouveau l'apprentissage automatique pour résoudre une question précédemment sans réponse nécessaire pour la caractérisation précise de la cinématique de gaz chaud dans les galaxies. Nous avons construit un réseau de neurones convolutif qui estime la vitesse et l'élargissement des raies d'émission d'un spectre de galaxies en visible. Une fois construit, nous l'appliquons aux données synthétiques qui répliquent les observations réelles de SITELLE du programme SIGNALS. En utilisant notre réseau bien entraîné, nous caractérisons l'émission d'une cible de SIGNALS : la galaxie M33. Nos résultats indiquent que notre algorithme surpasse les méthodes standards et s'adapte bien aux procédures d'ajustement spectral. En outre, notre méthodologie augmente la vitesse des calculs par plus d'un ordre de grandeur. Bien que l'algorithme soit entraîné spécifiquement pour SITELLE, on peut faire de petites modifications pour l'utiliser avec des autres interféromètres tels que MUSE et ses futurs analogues dans la prochaine génération de télescopes. Notez que j'ai mené à titre de premier auteur deux des trois articles présentés dans ce mémoire et apporté des contributions majeures au troisième. Les trois articles ont déjà été acceptés pour publication ou ont déjà été soumis et révisés une fois. / Galaxy clusters are one of the largest structures in the universe and host several complex physical phenomena. Although a wealth of knowledge already exists on their formation and evolution, the recent advent of machine learning in the astronomical sciences has allowed us to probe questions heretofore unanswered. While this thesis does focus heavily on the application of machine learning techniques to X-ray observations of galaxy clusters, it takes the techniques applied there to galaxy cluster's smaller counterparts: the individual galaxies themselves. Although the three papers presented here focus on distinct physics, scales, and techniques, they all form a basis of studies that I will continue during my doctorate: using new techniques to probe the underlying physics of galactic and extragalactic regions. The first paper introduced is a study of a galaxy cluster near the beginning of the epoch of cluster formation exhibiting peculiar attributes such as an elevated stellar formation rate (∽ 900M⊙/yr). In this paper, we employ traditional techniques in X-ray astronomy to determine whether or not the prodigious formation rate is due to an uninhibited cooling core. Since the object is so distant (z=1.7), we must execute our calculations with relatively few photons and thus rely on proxy measures. We determine that there exists a strong cooling flow offset by over 50 kpc from the central galaxy. Because of this offset, the AGN is not fueled and thus fails to heat up the cooling flow. This is the first example of a galaxy cluster in which we observe the failure of AGN feedback. Additionally, this provides another mechanism for the creation of intracluster light. The second article presented here focuses on X-ray emission from the hot intra-cluster medium within the galaxy cluster. We develop a comprehensive method for determining the number of underlying thermal components in the plasma's spectra. Our novel technique relies on a combination of an unsupervised learning algorithm (principal component analysis) and a supervised learning algorithm (random forest classification). We create a set of 100,000 realistic mock Chandra observations of the hot X-ray emitting gas in nearby galaxy clusters. After reducing our synthetic training set to its 25 most important principal components, we trained a random forest classifier to distinguish between the number of underlying thermal components. After successful testing and hyperparameter optimization, we applied the methodology third paper featured in this thesis once again employs machine learning to solve a previously undetermined question necessary for the accurate characterization of the kinematics of the warm gas in galaxies. We constructed a convolutional neural network to estimate the velocity and broadening parameters from the optical spectra of emission-line nebula and applied it to synthetic data replicating real SITELLE observations from the SIGNALS program. With a trained and optimized network in hand, we apply our methodology to a target of the SIGNALS program: the galaxy M33. Our results indicate our algorithm out-performs previous methods and nicely complements spectral fitting procedures. Moreover, the methodology increases calculation speeds by more than an order of magnitude -- thus greatly reducing the time needed to determine the kinematic parameters. Although the algorithm was trained for SITELLE data, this method can be readily ported to other IFUs such as MUSE. I have led two of the papers presented in this memoire and made major contributions to the third. All three papers have been either accepted for publication or have already been submitted and revised once. to the Perseus Cluster. In addition to creating a map of the cluster indicating the number of thermal components required to accurately model the thermal emission, we developed a suite of analysis routines to determine the temperatures of the underlying components. Our results are in agreement with over a decade of studies on the Perseus cluster and indicate that multiple temperature components are required for the accurate study of its intracluster medium.

Lengo la makala hii ni kujaribu kufafanua jinsi wafasiri walivyotafsiri kwa Kiswahili baadhi ya riwaya zilizoandikwa kwa lugha za kigeni, enzi za baada ya nchi za Afrika kujipatia uhuru. Kwa ajili ya mada yenyewe nimechagua mkusanyo wa riwaya nne zilizotafsiriwa na Watanzania, yaani Shamba la wanyama (kilichoandikwa na Fortunatus Kawegere, 1967), Shujaa Okonkwo (Clement Ndulute, 1973), Mzee na bahari (Cyprian Tirumanywa, 1980) na Barua ndefu kama hii (Clement Maganga, 1994). Wafasiri hao walikabiliana vipi na vipengele vya kitamaduni vya lugha chanzi (za jamii zenye maisha, dini, misemo, methali tofauti na yao n.k.)? Kwa kuzingatia swali hilo, makala inaeleza baadhi ya mbinu zilizotumiwa na watafsiri wa Kiswahili wakishughulika na maandishi kutoka kwa fasihi ya kigeni.