Soutenance de doctorat de Patrick Tremblay

Calculs par simulation numérique de profils d’élargissement Stark des raies de l’hélium neutre et ionisé pour les étoiles naines blanches de type DB et DO

Cette thèse présente une réévaluation complète des calculs de profils de raies élargies par effet Stark pour l’hélium neutre et ionisé, motivée par des problèmes persistants dans la détermination spectroscopique des paramètres atmosphériques des naines blanches à atmosphère d’hélium. Des analyses récentes de naines blanches de types DB et DO ont en effet révélé des incohérences notables entre les mesures photométriques et spectroscopiques — notamment au niveau des températures effectives, des gravités de surface et des masses — suggérant que des imprécisions dans la théorie de l’élargissement Stark de l’hélium pourraient être à l’origine de ces désaccords. Nous abordons ce problème à l’aide de nouvelles simulations numériques à grande échelle des profils de raies de He i et He ii, prolongeant et généralisant de manière significative les approches numériques et semi-analytiques antérieures.

Dans un premier temps, nous introduisons une grille de profils élargis par effet Stark pour 13 raies dans le domaine visible de l’hélium neutre, calculés à l’aide de simulations numériques de pointe qui unifient le traitement des ions et des électrons. Ces simulations intègrent de nombreux effets physiques absents des calculs semi-analytiques précédents — tels que la dynamique des ions, la transition de la contribution électronique du cœur vers les ailes de la raie, l’intégration numérique de l’opérateur d’évolution temporelle quantique sous un champ électrique fluctuant, et utilisent la méthode du spectre de puissance pour calculer les profils, une amélioration par rapport aux profils issus de simulations publiées auparavant pour les raies de He i. Les applications à des spectres observés — incluant les naines blanches de type DB, ainsi que les objets à plus faibles log g Barnard 29 et HD 144941 — démontrent que les nouveaux profils fournissent une description physique plus robuste de la formation des raies, en particulier dans les atmosphères stellaires à faible gravité et riches en hélium.

Nous présentons ensuite une analyse spectroscopique de naines blanches de type DB. En utilisant l’échantillon du Sloan Digital Sky Survey DR17, nous examinons systématiquement comment divers composants de la théorie de l’élargissement des raies de He i — incluant l’élargissement van der Waals, l’échantillonnage en fréquence, l’élargissement Doppler, les techniques de normalisation, la dissolution des raies et les corrections hydrodynamiques 3D — influencent la détermination des paramètres atmosphériques. Un point central de cette étude est la comparaison entre les profils semi-analytiques de He i de Beauchamp et al. (1997), utilisés dans de nombreuses années antérieures, et nos nouveaux profils Stark issus de simulations numériques. Nos résultats mettent en lumière à la fois le potentiel et les limites actuelles de l’adoption de profils Stark He i entièrement simulés dans les analyses spectroscopiques de DB.

Nous présentons finalement la première extension de l’approche par simulation numérique au calcul de profils élargis par effet Stark pour l’hélium ionisé (He ii). Contrairement à l’hélium neutre, un émetteur chargé nécessite de traiter les trajectoires des particules perturbatrices non comme des lignes droites mais comme des orbites hyperboliques sous l’effet des forces coulombiennes. Cela introduit des défis théoriques et numériques majeurs, incluant la génération de conditions initiales statistiquement cohérentes pour les particules perturbatrices attractives et répulsives, le choix du volume de simulation en présence d’interactions coulombiennes à longue portée, et l’obligation de reproduire la distribution statistique correcte du champ électrique entourant un émetteur chargé. Ce travail jette ainsi les bases de nouvelles tables d’opacité de l’He ii susceptibles de résoudre les anomalies dans les masses spectroscopiques des naines blanches chaudes de type DO.