Dissertations / Theses on the topic 'Supernova spectroscopy'

Type Ia supernovae have been successfully used as standardized candles to study the expansion history of the Universe. In the past few years, these studies led to the exciting result of an accelerated expansion caused by the repelling action of some sort of dark energy. This result has been confirmed by measurements of cosmic microwave background radiation, the large-scale structure, and the dynamics of galaxy clusters. The combination of all these experiments points to a “concordance model” of the Universe with flat large-scale geometry and a dominant component of dark energy.

However, there are several points related to supernova measurements which need careful analysis in order to doubtlessly establish the validity of the concordance model. As the amount and quality of data increases, the need of controlling possible systematic effects which may bias the results becomes crucial. Also important is the improvement of our knowledge of the physics of supernovae events to assure and possibly refine their calibration as standardized candle.

This thesis addresses some of those issues through the quantitative analysis of supernova spectra. The stress is put on a careful treatment of the data and on the definition of spectral measurement methods. The comparison of measurements for a large set of spectra from nearby supernovae is used to study the homogeneity and to search for spectral parameters which may further refine the calibration of the standardized candle. One such parameter is found to reduce the dispersion in the distance estimation of a sample of supernovae to below 6%, a precision which is comparable with the current lightcurve-based calibration, and is obtained in an independent manner. Finally, the comparison of spectral measurements from nearby and distant objects is used to test the possibility of evolution with cosmic time of the intrinsic brightness of type Ia supernovae.

In this thesis, we present the Southern African Large Telescope spectroscopic follow-up programme for supernova candidates discovered by the international Dark Energy Survey, the goals of which are to measure the expansion history of the Universe and shed light on the mysterious nature of dark energy. In total, we took spectra for 36 supernova candidates. These were classified using a new Bayesian Supernova spectra classifier, SuperNovaMC, that we developed to address limitations with existing algorithms. SuperNovaMC simultaneously finds the best fitting supernova and host galaxy using Bayesian model selection, fitting the entire spectrum with Monte Carlo Markov Chain methods which allow estimation of the entire parameter posterior distributions, and hence principled statistical analysis even at low signal-to-noise. After extensive testing of SuperNovaMC against simulations and literature data, we use it to classify 20 of our Dark Energy Survey candidates as Type Ia supernovae. We further performed equivalent width measurements of two Type Ia supernova spectral features: Ca II H&K and Si II 4000, using a sub-sample of the 20 Type Ia supernovae. We compared our results to those of a similar study conducted on a low-redshift (z < 0:1) Type Ia supernova sample and found the two sets of results to be consistent, suggesting no redshift evolution in the equivalent widths of the two spectral features in the redshift range 0:1 < z < 0:3 that we conducted the study in.

Les supernovae de type Ia (SNe Ia) sont de puissants indicateurs de distance cosmologique. Elles sont à l'origine de la découverte de l'énergie noire dans l'univers et restent aujourd'hui la meilleure méthode pour contraindre son équation d'état. Cependant, nous ignorons toujours le phénomène exact donnant naissance à ces supernovae. Notamment, nous ne connaissons pas l'influence de l'évolution des paramètres stellaires avec le redshift sur la luminosité de ces objets et donc sur les ajustements cosmologiques. De récentes études ont mis en évidence évidence des biais environnementaux ayant un impact significatif sur les mesures des paramètres cosmologiques. Cependant, ces études analysent les hôtes des SNe Ia dans leur globalité en négligeant les variations pourtant connues des propriétés stellaires et gazeuses au sein de ces galaxies. ! Dans cette thèse je montre comment les données de spectrographie à champ intégral de la collaboration The Nearby Supernova Factory permettent l'étude de l'environnement immédiat (~kpc) de la SNe Ia. Dans une première partie, j'introduis les bases physiques et le contexte scientifique dans lesquels ma thèse s'inscrit. Dans la seconde partie, je commence par détailler les techniques d'extraction des données environnementales locales et, une fois ces données extraites, je développe la mesure du taux de formation stellaire environnant les SNe Ia à partir du signal Hα. Dans mon analyse, je montre comment les propriétés des SNe Ia, et notamment leur luminosité standardisée, dépendent de la présence de formation stellaire à proximité. Ce biais, duquel découlent les biais environnementaux précédemment évoqués, a un impact significatif sur la cosmologie. En se basant sur les évolutions des propriétés stellaires des galaxies, je construit un modèle d'évolution de la luminosité moyenne des SNe Ia en fonction du redshift pour estimer cet impact; les données de la littérature semblent confirmer mes hypothèses. Ces résultats ont été publiés dans le journal européen Astronomy & Astrophysics (Rigault et al. 2013). Dans une troisième partie, je présente des analyses supplémentaires sur l'environnement local des SNe Ia et je suggère de nouvelles approches. ! Cette thèse a mis en évidence un biais environnemental important sur les propriétés des SNe Ia que seule l'analyse locale permet d'aborder. Cette découverte est une étape importante dans la compréhension de ces objets et dans l'amélioration de leur utilisation cosmologique
Type Ia supernovae (SNe Ia) are powerful cosmological distance indicators. They were key tools for the discovery of the accelerating expansion of the Universe and today they remain the strongest demonstrated technique for measuring the dark-energy equation of state. However, a major issue remains: despite decades of study, their progenitors are as yet undetermined. Notably, we still ignore the influence of the redshift-evolution of stellar properties on the absolute luminosity of the SNe Ia and therefore on the fitted cosmological parameters. Recent studies have highlighted potential biases correlated with the global properties of their host galaxies, large enough to induce systematic errors into cosmological measurements if not properly treated. However, those studies analyse hosts of Type Ia supernovae globally thus neglecting the known stellar and gas property variations across galaxies. ! In this thesis, I show how integral field spectroscopy data from the Nearby Supernova Factory allow the study of the local environment of the SNe Ia (~kpc). In the first part of this document, I introduce the physical principals and the scientific context of this work. In a second part, I start by detailing the technical extraction tools developed in order to extract the local host properties. Then, I show how one could measure the star formation activity in the SN vicinity from those data. I focus the analysis on this star formation activity and notably I show how the SNe Ia properties -- particularly their standardised Hubble residuals -- depend on the local host environment, which corresponds to a significant cosmological bias. I finish this second part by introducing a simple model based on the known evolution of the galactic star formation activity. This model enables me to estimate the potential influence of the aforementioned environmental bias on cosmology. I also show that this model can be tested using public data and a first analyses tend to confirm our hypotheses. Those results have been published in Astronomy & Astrophysics (Rigault et al. 2013). The third and last part of the document introduces new approaches and future work perspectives. ! In this thesis, I have highlighted significant environmental biases in SNe Ia properties, thanks to the local approach. However, those biases are less an issue for the cosmological analyses using Type Ia supernovae than a new opportunity to improve them as cosmological probes. ! This Document is written in French. The figures are in English

Aquesta tesi engloba el treball fet durant els ultims quatre anys com a estudiant de doctorat a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), emmarcat dins de la col·labaració Sloan Digital Sky Survey II Supernova (SDSS-II/SNe) Survey. Al primer capítol (§1) s’introdueixen els principals conceptes del Model Estàndar de Cosmologia, presentant els seus orígens, les propietats dels seus continguts, i les mesures de distància i brillantor. També es reconstrueix l’història de l’univers des del Big Bang i es resumeixen alguns dels descobriments més excitants que han confirmat les prediccions del Model Estàndar. Seguidament (§2), es dona una explicació detallada de les supernoves (SNe), incloenthi el mecanisme físic que dóna lloc a les explosions, les diferències entre els diferents tipus, i la seva classificació espectral. També es descriuen les propietats fotomètriques i espectroscòpiques de les supernoves de tipus Ia. Tot seguit, es resumeixen les mesures del ritme d’explosions, les propietats de les gal·làxies on resideixen les supernoves, i el seu ús en Cosmologia a través del diagrama de Hubble. Al següent capítol, (§3) es descriu la col·laboració SDSS-II/SNe Survey, una extensió de tres anys (2005-2007) del projecte Sloan (SDSS) que ha detectat i mesurat corbes de llum de centenars de supernoves tot escanejant el cel en repetides ocasions. Vam contribuir al seguiment espectroscòpic de les supernoves de SDSS-II/SNe, obtenint 23 espectres de supernoves durant 4 nits d’Octubre i Novembre (5-6 Oct. i 4-5 Nov.) del 2007, utilitzant el Telescopio Nazionale Galileo (TNG) situat a l’Observatorio del Roque de Los Muchachos (ORM) a l’illa de La Palma. Al capítol §4 es descriu tot el procés de reducció de les dades, des de l’adquisició de les imatges fins als espectres calibrats en flux i longitud d’ona. A continuació de la reducció dels espectres, al capítol §5, s’analitza una de les supernoves de tipus Ia menys lluminoses mai conegudes, la peculiar 2007qd, per la qual vam mesurar el primer espectre. Les propietats observades de la 2007qd la situen a la subclasse anomenada 2002cx, com a membre intermig entre la 2002cx i la 2008ha, enllaçant aquetes. Es presenten les observacions espectroscòpiques i fotomètriques de la supernova 2007qd i es comparen les seves propietats peculiars amb un ventall d’altres supernoves. Aquest anàlisi va ser publicat a McClelland et al. (2010). Al capítol §6, s’utilitzen les supernoves Ia descobertes pel SDSS-II/SNe Survey durant els tres anys d’activitat, per buscar dependències entre les propietats fotomètriques de les supernoves Ia i la projecció de la distància fins al centre de la gal·làxia on resideixen, utilitzant la distància com a aproximació a les propietats locals de les gal·làxies (ritme de creació d’estrelles, metalicitat local, etc.). Trobem que l’excés de color de les supernoves, parametritzat per AV a MLCS2k2 i per c a SALT2 decreix amb la distància projectada, en particular per les gal·làxies espirals. A més, amb menys significància, també es troba que l’amplada de la corba de llum, obtinguda amb MLCS2k2, està correlacionada amb la separació entre la supernova i el centre de la gal·làxia per les el·líptiques, així les supernoves amb corbes de llum més estretes, per tant menys lluminoses, s’observen més aviat a més distància del centre gal·làctic. Aquest anàlisi va ser presentat a la conferència Supernovae and their Host Galaxies que es va fer al Juny del 2011 a Sydney, i serà publicat a Galbany et al. (2011). Finalment, al capítol §7, es resumeix i es donen les conclusions d’aquesta tesi.
Esta tesis engloba el trabajo realizado durante los últimos cuatro años como estudiante de doctorado en el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), enmarcardo en la colabaración Sloan Digital Sky Survey II Supernova (SDSS-II/SNe) Survey. En el primer capítulo (§1) se introducen los principales conceptos del Modelo Estándar de Cosmología, presentando sus orígenes, las propiedades de sus contenidos, y las medidas de distancia y brillo. También se reconstruyen la historia del universo desde el Big Bang y se resumen algunos de los descubrimientos más excitantes que han confirmado las predicciones del Modelo Estándar. Seguidamente (§2), se da una explicación detallada de las supernovas (SNe), incluyendo el mecanismo físico que da lugar a las explosiones, las diferencias entre los diferentes tipos, y su clasificación espectral. También se describen las propiedades fotomètricas y espectroscópicas de las supernovas de tipo Ia. A continuación, se resumen las medidas del ritmo de explosión, las propiedades de las galaxias donde residen las supernovas, y su uso en Cosmología a través del diagrama de Hubble. En el siguiente capítulo, (§3) se describe SDSS-II/SNe Survey, una extensión de tres años (2005-2007) del proyecto Sloan (SDSS) que ha detectado y medido curvas de luz para centenares de supernovas a través de escanear el cielo en repetidas ocasiones. Como parte del seguimiento espectroscópico de las supernova de SDSS-II/SNe, contribuímos obteniendo 23 espectros de supernovas durante 4 noches de Octubre y Noviembre (5-6 Oct. y 4-5 Nov.) del 2007, utilizando el Telescopio Nazionale Galileo (TNG) situado en el Observatorio del Roque de Los Muchachos (ORM) en La Palma. En el capítulo §4 se describe toda la reducción de datos, desde la adquisición de las imágenes hasta los espectros calibrados en flujo y longitud de onda. Siguiendo la reducción de los espectros, en el capítulo §5, se describe una de las supernovas de tipo Ia menos luminosa jamàs conocida, la peculiar 2007qd, para la cual medimos el primer espectro. Las propiedades observadas de la 2007qd la sitúan en la subclase llamada 2002cx, como miembro intermedio entre las supernovas 2002cx y 2008ha, enlazándolas. Se presentan las observaciones espectroscópicas y fotométricas de la supernova 2007qd y se comparan su propiedades con un conjunto de otras supernovas. Éste análisis fue publicado en McClelland et al. (2010). En el capítulo §6, se utilizan las supernovas Ia descubiertas por SDSS-II/SNe Survey durante los tres años de actividad, para buscar dependencias entre las propiedades fotométricas de las supernovas Ia y la proyección de la distancia hasta el centro de la galaxia donde residen, utilizando la distancia como aproximación a las propiedades locales de las galaxias (ritmo de creación de estrellas, metalicidad local, etc.). Encontramos que el exceso de color de las supernovas, parametrizado por AV en MLCS2k2 y por c en SALT2 decrece con la distancia, en particular para las galaxias espirales. Además, y con menos significancia, también se encuentra que la amplitud de la curva de luz, obtenida con MLCS2k2, está correlacionada con la separación entre la supernova y el centro de la galaxia para las galaxias elípticas, así las supernovas con curvas de luz más estrechas, y menos luminosas, se observan a más distancia del centro galactico. Este análisis fue presentado en la conferencia Supernovae and their Host Galaxies que tuvo lugar en Junio del 2011 en Sydney, y serà publicado en Galbany et al. (2011). Finalmente, en §7, se resume y se presentan las conclusiones de esta tesis.
This thesis comprises the work I have been doing during the last four years at Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) as a PhD student, and has to be understood within the context of the Sloan Digital Sky Survey II Supernova (SDSS-II/SNe) survey. The content of this thesis is ordered as follows. In the next Chapter (§1) I introduce the main concepts of the Standard Model of Cosmology, presenting the origins, the properties of its contents, and the distance and the brightness measurements. I also reconstruct the history of universe since the Big Bang and summarize some of the most exciting discoveries that have confirmed the Standard Model predictions. In §2, a detailed explanation of supernovae (SNe) is given, including the physical mechanism that accounts for their explosions, the differences among the several types of SNe, and their spectral classification. We also describe the spectroscopic and photometric properties of Type-Ia SNe. After that, we review the SNe rate of the explosion measurements, the properties of their host galaxies, and their use in Cosmology through the Hubble diagram. After that, in §3, I describe the SDSS-II/SNe survey, a three-year (2005-2007) extension of SDSS of which I am an external collaborator, which has detected and measured light-curves for several hundred supernovae through repeat scans of the sky. As a part of the spectroscopic follow-up of the SDSS-II/SNe candidates, we contributed to the project taking spectra of 23 SNe during four nights in October and November (5-6 Oct. and 4-5 Nov.) of 2007 using the Telescopio Nazionale Galileo (TNG) located at the Observatorio del Roque de Los Muchachos (ORM) in La Palma. In §4, the whole reduction procedure, from the acquisition of the raw data by the telescope camera to the final flux-calibrated spectra, is described. Following the spectra reduction, in §5, I describe one of the most subluminous type-Ia events known, the peculiar 2007qd supernova, for which we took the first spectrum. The observed properties of 2007qd place it in the 2002cx subclass of supernovae, specifically as a member intermediate to 2002cx and 2008ha, linking these objects. We present the photometric and spectroscopic observations of 2007qd and compare its unique properties with a range of other SNe. This work was compiled and published in McClelland et al. (2010). Then, in §6, the three-year sample of Type Ia supernovae (SNe Ia) discovered by the SDSS-II/SNe Survey is used to look for dependencies between photometric SN Ia properties and the projected distance to the host galaxy center, using the distance as a proxy for local galaxy properties (local star-formation rate, local metallicity, etc.). We find that the excess color of the SN, parametrized by AV in MLCS2k2 and by c in SALT2 decreases with the projected distance, in particular for spiral galaxies. At a lower significance we find that the light-curve width, as obtained from MLCS2k2 , is correlated with the SN-galaxy separation for elliptical hosts, so that SNe Ia with narrower light-curves, hence dimmer, are more commonly observed at large distances from the host galaxy core. This analysis was presented in the Supernovae and their Host Galaxies conference which was held at Sydney, Australia in June 2011, and will be published in Galbany et al. (2011). Finally, in §7 we give a summary and the conclusions of this thesis.

Les supernovae de type Ia (SNe Ia) sont aujourd'hui un outil puissant en cosmologie pour étudier l'accélération de l'expansion de l'univers. Utilisées comme chandelles standard, elles permettent de contraindre l'équation d'état de l'énergie noire à travers un diagramme de Hubble. La spectroscopie est une étape essentielle à la construction de ce diagramme à la fois pour s'assurer que les objets sont bien des SNe Ia et déterminer leur décalage vers le rouge, mais également pour mieux comprendre leurs propriétés physiques et ainsi réduire les incertitudes systématiques qui limitent l'utilisation des SNe Ia en cosmologie. Dans ce cadre, je constitue un nouvel échantillon de spectres de SNe Ia mesurés au Very Large Telescope (VLT) pour l'expérience SuperNova Legacy Survey (SNLS). Ce lot de SNe Ia rejoint celui déjà existant pour constituer l'échantillon final de spectres VLT des SNe Ia SNLS. En plus d'être intégré au diagramme de Hubble pour les analyses cosmologiques, ce lot spectroscopique peut tre utilisé pour tester si les propriétés des SNe Ia évoluent avec le décalage vers le rouge. J'aborde cette question fondamentale pour la cosmologie en utilisant à la fois le nouveau lot de spectres VLT de SNe Ia lointaines et celui des objets proches de l'expérience Nearby SuperNova Factory (SNF). Ces deux lots de spectres sont également une riche source d'information pour mieux connaître les SNe Ia et comment les standardiser. Je les confronte pour cela avec divers modèles de formations de SNe Ia afin de déterminer les zones ou paramètres discriminants qui permettraient d'améliorer les modèles pour reproduire les observations et la variabilité des SNe Ia
Type Ia supernovae (SNe Ia) are a powerful tool in cosmology today to study the acceleration of the universal expansion. Using as standardisable candles, they allow us to constrain the dark energy equation of state via a Hubble diagram. The spectroscopy is essential to build this diagram, on the one hand to secure the type of SNe Ia and estimate the redhsift, and on the other hand for a better knowledge of their physical properties to reduce the systematic uncertainties which limit the use of SNe Ia for cosmological works. In this context, I build a new sample of SN Ia spectra measured by the Very Large Telescope (VLT) for the SuperNova Legacy Survey (SNLS) experiment. These SN Ia data complete the existing sample to constitute the final VLT spectroscopic dataset of the SNLS. In addition to the inclusion in the Hubble diagram for cosmological analysis, this spectroscopic sample can be used to test if SNe Ia properties evolve with the redshift. I investigate this fundamental question for cosmology using the new VLT spectra sample of distant SNe Ia and the nearby object of the Nearby SuperNova Factory (SNF) experiment. These two samples are also a rich source of physical information for a better knowledge of SNe Ia and a better standardisation. For this purpose, I compare these data with various SNe Ia formation models to identify discriminant spectral area or parameters in order to constrain and improve the models to reproduce the observations and the SNe Ia variability

Les supernovae de type Ia (SNe Ia) sont de puissants indicateurs de distance cosmologique. Elles sont à l'origine de la découverte de l'énergie noire dans l'univers et restent aujourd'hui la meilleure méthode pour contraindre son équation d'état. Cependant, nous ignorons toujours le phénomène exact donnant naissance à ces supernovae. Notamment, nous ne connaissons pas l'influence de l'évolution des paramètres stellaires avec le redshift sur la luminosité de ces objets et donc sur les ajustements cosmologiques. De récentes études ont mis en évidence évidence des biais environnementaux ayant un impact significatif sur les mesures des paramètres cosmologiques. Cependant, ces études analysent les hôtes des SNe Ia dans leur globalité en négligeant les variations pourtant connues des propriétés stellaires et gazeuses au sein de ces galaxies. ! Dans cette thèse je montre comment les données de spectrographie à champ intégral de la collaboration The Nearby Supernova Factory permettent l'étude de l'environnement immédiat (~kpc) de la SNe Ia. Dans une première partie, j'introduis les bases physiques et le contexte scientifique dans lesquels ma thèse s'inscrit. Dans la seconde partie, je commence par détailler les techniques d'extraction des données environnementales locales et, une fois ces données extraites, je développe la mesure du taux de formation stellaire environnant les SNe Ia à partir du signal Hα. Dans mon analyse, je montre comment les propriétés des SNe Ia, et notamment leur luminosité standardisée, dépendent de la présence de formation stellaire à proximité. Ce biais, duquel découlent les biais environnementaux précédemment évoqués, a un impact significatif sur la cosmologie. En se basant sur les évolutions des propriétés stellaires des galaxies, je construit un modèle d'évolution de la luminosité moyenne des SNe Ia en fonction du redshift pour estimer cet impact; les données de la littérature semblent confirmer mes hypothèses. Ces résultats ont été publiés dans le journal européen Astronomy & Astrophysics (Rigault et al. 2013). Dans une troisième partie, je présente des analyses supplémentaires sur l'environnement local des SNe Ia et je suggère de nouvelles approches. ! Cette thèse a mis en évidence un biais environnemental important sur les propriétés des SNe Ia que seule l'analyse locale permet d'aborder. Cette découverte est une étape importante dans la compréhension de ces objets et dans l'amélioration de leur utilisation cosmologique.

Le SuperNova Legacy Survey (SNLS) a observé les supernovae de type ia (SNeHa) pendant 5 ans afin de contraindre les paramètres cosmologiques. Sa procédure de sélection en temps réel repose sur l'identification spectroscopique de chaque supernova. Ce recourt systématique à la spectroscopie nécessite un niveau suffisament élevé de signal sur bruit. Il peut donc engendrer des biais de sélection et ne sera plus possible sur les futurs relevés qui observeront des millions de SNeHa. Cette thèse présente une méthode de réduction des données complémentaire reposant sur une sélection purement photométrique. Cette analyse, plus efficace sur la sélection des événements les plus faibles, double approximativement ainsi l'échantillon de SNeHa du SNLS. Cette méthode met en évidence un net biais de sélection spectroscopique. Les SNeHa les plus brillantes sont systématiquement sélectionnées au delà d'un redshift de 0. 7. En revanche, aucun impact important sur la cosmologie n'a été trouvé. Cela prouve que les corrections tenant compte de la variabilité en luminosité des SNeHa sont robustes. De plus, ces travaux constituent une première étude de faisabilité d'une analyse cosmologique complètement photométrique. La méthode utilisée est prometteuse pour les futurs grands projets
The SuperNova Legacy Survey (SNLS) experiment observed type la supemovae (SNeHa) during 5 years. Its aim is the contraint cosmological parameters. The online reduction pipeline is based on spectroscopic identification for each supernova. Systematically using spectroscopy requires a sufficient signal to noise level. Thus, it could lead to selection biases and would not be possible for future surveys The PhD thesis report a complementary method for data reduction based on a completely photometric selection. This analysis, more efficient to select faint events, approximately double the SNeHa sample of the SNLS. This method show a clear bias in the spectroscopic selection. Brighter SNeHa are systematically selected beyond a redshift of 0. 7. On the other hand, no important impact on cosmology was found. So, corrections on intrinsic variability of SNeHa luminosity are robust. In addition, this work is a first step to study the feasibility of such a purely photometric analysis for cosmology. This is a promising method for future projects

Cette thèse a permis de comparer les caractéristiques spectrales des supernovæ de type Ia en fonction du
décalage vers le rouge ("évolution"). Dans le cadre des collaborations Supernova Cosmology Project (SCP) et SuperNova Legacy Survey (SNLS), dont l'objectif scientique commun est l'étude de l'énergie noire à l'aide de supernovæ de type Ia à grand décalage vers le rouge, une part importante du travail de thèse est consacrée à la réduction des données spectrales,
étape nécessaire pour obtenir le spectre physiquement exploitable à partir de données observées. La réduction de l'ensemble des spectres SCP issus du spectrographe à échellettes Keck-ESI a permis d'obtenir des supernovæ de type Ia parmi les plus lointaines jamais observées. Dans l'expérience SNLS, l'identication spectroscopique est essentiellement réalisée avec le spectrographe longue fente FORS1 monté au foyer du VLT UT1. Pour le SNLS, il s'agit de réduire et d'identier une dizaine de spectres par lunaison pendant 5 ans. Dans le cadre de cette thèse, un logiciel d'identication en temps réel de SNIa a été developpé, il permet d'établir le type, le décalage vers le rouge et l'âge du candidat quasi automatiquement. Il évalue aussi la contamination
de la galaxie hôte (dont on peut aussi estimer la morphologie) dans le spectre. Le logiciel a été testé sur un échantillon de spectres analysés en détail.
Par ailleurs, pour certains d'entre eux, on a mesuré la vitesse du CaH&K (3945.12Å) dans la photosphère puis
on a comparé les résultats avec les mêmes mesures réalisées sur un lot de spectres proches. Ce résultat a permis de conrmer l'hypothèse de standardité des SNIa à grand décalage vers le rouge. C'est une hypothèse fondamentale pour mesurer les paramètres cosmologiques avec les supernovæ de type Ia.

Type Ia supernovae can, for a short period of time, reach the same brightness as an entire galaxy. They are responsible for the creation of a large fraction of all heavy elements and can be used, as standard candles, to prove that the expansion of the universe is accelerating. Yet, we do not fully understand them. A basic picture where Type Ia supernovae are caused by thermonuclear explosions of white dwarfs is generally accepted, but the details are still debated. These unknowns propagate into systematic uncertainties in the estimates of cosmological parameters. A Monte Carlo framework, SMOCK, designed to model this error propagation, is presented. Evolution with time/distance and the nature of reddening are studied as the dominant astrophysical uncertainties. Optical spectra of Type Ia supernovae contain a wealth of information regarding the nature of these events, and can be used both to understand supernovae and to limit the systematic uncertainties in cosmological parameter estimates. We have reduced spectra observed with the Nordic Optical Telescope and the New Technology Telescope in conjunction with the SDSS-II supernova survey, and compared spectral properties (pseudo-Equivalent Widths and line velocities) of this sample with local supernovae.We have further studied possible systematic difficulties in such comparisons between nearby and distant supernovae, caused by noise and host galaxy contamination.Taking such uncertainties into account, we find a tentative evolution in supernova properties with redshift, compatible with expected demographic changes. Correlations with light curve shape found by other studies are confirmed. A tentative correlation with light curve colour is also presented. The latter could indicate an intrinsic component of the observed reddening, i.e. independent of interstellar dust in the host galaxy.
At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 4: Accepted.

Nous présentons ici une analyse de la standardisation des supernovae de type Ia (SNela) avec des SNela distantes (0. 2
We present in this thesis an analysis of the standardisation of Type Ia supernovae (SNela) using distant supernovae (0. 2

Mon travail de these a consiste en la modelisation de l'hydrodynamique et de l'emission en rayons x de restes de supernova, ainsi que dans l'observation et l'interpretation de leur emission en rayons x et en optique. J'ai developpe un code hydrodynamique base sur les solutions autosimilaires de chevalier (1982), auxquelles j'ai couple le calcul d'ionisation hors-equilibre et le calcul d'emission en rayons x. Cela a permis d'expliquer dans le cadre d'un modele coherent de supernova de type ii le spectre en rayons x du reste de supernova de kepler. Les observations en rayons x du satellite germano-americain rosat ont permis d'apprehender la partie nord du reste de supernova ancien de cygnus loop par une analyse spectrale detaillee de regions specifiques et par une approche globale en utilisant les capacites de spectro-imagerie de l'instrument. Les observations optiques ont permis d'etudier la geometrie de la region nord du reste par la cinematique des raies coronales du fer. J'ai modelise l'evolution hydrodynamique de restes de supernova plus anciens par un code hydrodynamique numerique. En tenant compte de conditions initiales realistes issues des modeles d'explosion de supernova, j'ai montre que contrairement aux idees recues, le role des ejecta et du choc en retour restait tres important jusque dans une phase tardive de l'evolution des restes massifs

Au cours de cette thèse, j’ai étudié 33 étoiles extrêmement déficientes du halo galactique (ayant au moins de 500 fois moins de métaux que le Soleil) observées au VLT avec le spectrographe à haute résolution UVES. Ces étoiles sont les témoins des tous premiers âges de notre Galaxie. La connaissance détaillée de leur composition chimique permet de contraindre les modèles de formation et d’évolution de notre galaxie. J’ai pu déterminer dans ces étoiles les abondances de 17 éléments avec une précision inégalée, allant du carbone au zinc, et en particulier, celles d’éléments « clés » comme l’oxygène et le zinc, pour comprendre quel type de supernova a enrichi la matière au début de la vie de la Galaxie. J’ai montré en particulier que l’on peut expliquer les rapports d’abondance observés sans faire intervenir de supernova supermassive (dont la masse dépasse M soleil). Par ailleurs, l’évolution des abondances en fonction de la métallicité moyenne est comparée aux modèles d’évolution chimique de la Galaxie. Notre étude portant sur des étoiles réputées être nées au tout début de la vie de notre Galaxie, nous apportons des contraintes observationnelles fortes à ces modèles
During my Ph. D. I have analyzed 33 extremely metal-deficient galactic halo stars (stars having less than 500 times less metals than the Sun) observed at the VLT, using the high resolution spectrograph UVES. These stars are relics from the very first ages of our Galaxy, and thud provide useful constraints on both the formation and on the evolution models of our Galaxy. I determined the abundances for 17 elements from carbon to zinc with an unprecedented accuracy, including the key elements oxygen and zinc, to understand which kind of supernova had enriched the interstellar medium during the early times of the Galaxy. I have shown in this work that we could explain the observed abundance ratio without including very massive supernova (stars whose mass is greater then M Sun). In addition, the abundance trends are compared with Galactic chemical evolution models. As the study is based on very metal poor stars that are supposed to be born during the first ages of our Galaxy, my work brings strong new observational constraints to these models

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la collaboration franco-canadienne SuperNova Legacy Survey. Ce travail de thèse a eu pour but d'étudier la nature des galaxies hôtes des supernovae de type Ia pour en estimer l'influence sur les propriétés des supernovae Ia et sur la détermination des paramètres cosmologiques. Pour y parvenir, la nature de l'hôte a été déterminée grâce à trois méthodes d'identification (spectroscopique, photométrique et morphologique). J'ai considéré deux grandes classes de galaxies pour la suite de mon étude: les galaxies précoces et les galaxies tardives. Après avoir identifié le type de mes galaxies hôtes des supernovae de type Ia, j'ai donc étudié l'influence que pouvait avoir celles-ci sur les propriétés photométriques des supernovae de type Ia. Puis, j'ai construit un diagramme de Hubble des supernovae de type Ia en fonction de la nature de la galaxie hôte pour pouvoir estimer l'influence de la galaxie hôte sur la détermination des paramètres cosmologiques
This thesis was done within the context of the Franco-Canadian collaboration SuperNova Legacy Survey. This thesis was to study the nature of the hosts galaxies of the type Ia supernovae to estimate their influence on the properties of the type Ia supernovae and the determination of the cosmological parameters. For that, the nature of the host was given thanks to three methods of identification (spectroscopic, photometric and morphological). I considered two classes of galaxies for the continuation of my study: early galaxies and late galaxies. After having identified the type of hosts galaxies of the type Ia supernovae, so I studied the influence which could have those on the photometric properties of the type Ia supernovae. Then, I built a Hubble diagram of the type Ia supernovae as a function of nature of the host galaxy to be able to estimate the influence of the host galaxy on the determination of the cosmological parameters

Le mécanisme de production des ions O VI, N V et C IV est étudié lors de l'évaporation d'un nuage interstellaire dans le gaz chaud, en mettant l'accent sur le retard à l'ionisation des éléments. Les restes de supernovae de Kepler et de la boucle du Cygne sont considérés. Les données RX du spectre EXOSAT de Kepler sont utilisées pour l'élaboration d'un code hydrodynamique des restes jeunes. Les données EXOSAT sont également dépouillées pour la boucle du Cygne. Des observations spectroscopiques des raies coronales du fer Fe X et Fe XIV ont permis une approche différente et complémentaire du gaz chaud émettant en RX.

Le travail effectué pendant cette thèse s'inscrit dans le cadre de la mission SNAP (SuperNovae Acceleration Probe). Celle-ci propose de déterminer la nature de l'énergie Noire par la combinaison de mesures d'un échantillon de supernovae lointaines de type Ia avec des mesures de cisaillement gravitationnel. Le satellite embarquera deux instruments : un imageur grand champ et un spectrographe d'une précision photométrique et spectroscopique jamais atteinte. L'objectif de cette thèse est d'étudier les propriétés des détecteurs infrarouges hybrides H2RG (produit par Teledyne) du spectrographe pour optimiser ses performances. Pour cela, le détecteur H2RG numéro 40 a été caractérisé puis utilisé dans un prototype de spectrographe. Le mode de traitement des données a également été optimisé pour diminuer le bruit de lecture et détecter l'impact du rayonnement cosmique. Ces aspects seront développés dans cette thèse ainsi que leurs impacts sur les perormances du spectrographe
The SNAP (SuperNovae Acceleration Probe) mission is designed to measure very precisely the cosmological parameters and to determine the nature of the Dark energy. The mission is based on the measurement of some thousands supernovae of type Ia up a redshift of z=1. 7 and on weak gravitational lensing measurements of more than one thousand square degrees of the sky. The SNAP experiment consists in a 2-meter telescope with a one square-degree imager and an integral field spectrograph. We present in this thesis study on hybrid detector H2RG (produce by Teledyne) to improve performances of the SNAP spectrograph. The H2RG 40 detector was characterized and used in the spectrograph demonstrator. The way of sampling has been optimized to decrease the readnoise and detect cosmic ray and the impact on the spectrograph performances have been evaluated

Cette thèse comprend deux parties relativement distinctes. Dans la première, nous présentons l'analyse de 16 millions de courbes de lumière collectées par EROS II vers différentes longitudes dans le plan Galactique durant 7 saisons d'observation. Après avoir crée des images de référence et des courbes de lumière, nous avons recherché des effets de microlentille gravitationnelle parmi les courbes de lumière produites en appliquant une analyse discriminante, tout en calculant notre efficacité de détection sur un lot de courbes de lumière simulées. Nous avons mis en évidence 24 candidats, ce qui nous a permis de mesurer la profondeur optique vers nos cibles. La profondeur optique moyenne vers les bras spiraux est $<\tau_(GSA)> = 0.38\pm0.08$. Notre résultat est compatible avec les prédictions de modèles Galactiques tirés de la littérature, dans lesquels le bulbe central est modélisé par une barre, et favorise ceux sans matière cachée dans le disque. Outre la statistique, la principale limi tation dans notre analyse provient du fait que les distances où sont situées les étoiles cibles sont mal connues.
Dans la seconde partie, nous présentons l'analyse des données spectroscopiques, collectées durant une campagne internationale de recherche de supernovae Ia menée au printemps 1999, à laquelle EROS II a participé. Une vingtaine de supernovae Ia ont été découvertes puis suivies pendant cette campagne. Nous avons réduit les données spectroscopiques les concernant, qui consistent en une centaine de spectres au total. Nous avons developpé pour celà un programme original permettant de séparer le flux de la supernovae de celui de sa galaxie hôte. Nous avons ensuite procédé à une étude de stan dardisations sur un lot regroupant des objets de la campagne 1999 et des objets découverts antérieuement. L'étude sur ces 17 supernovae Ia a permis de confirmer l'interêt des spectres pour la standardis ation. Elle montre en particulier que la standardisation à partir de spectres est aussi efficace que celle basée sur le taux de décroissance des courbes de lumière.

Premier volet du CFHT Legacy Survey, le projet SuperNovae Legacy Survey (SNLS) propose de contraindre l'équation d'état de l'énergie noire en réduisant l'incertitude sur l'histoire de l'expansion de l'univers par l'observation de supernovae de type Ia (SN-Ia), jusqu'à un décalage vers le rouge de 1.
La standardisation nécessaire à l'utilisation des SN-Ia comme indicateurs de distance repose sur la mesure précise des courbes de lumière dans 4 filtres (g', r', i' et z' pour MégaCam au CFHT). La mesure de la vitesse de récession, via le décalage vers le rouge, ainsi que la validation du transient comme étant bien une SN-Ia procèdent du suivi spectroscopique.
L'instrument FORS1 du Very Large Telescope de l'ESO assure l'essentiel de ce suivi. L'imposant lot de données, la fréquente faiblesse du signal et la volonté de tester des algorithmes alternatifs de calibration des images et d'extraction des spectres m'ont amené à développer une chaîne de réduction indépendante et automatisée. Cet ouvrage présente une méthode compréhensive, d'approche statistique, pour une extraction systématisée du spectre du transient et de celui de sa galaxie hôte lorsque ces sources sont effectivement résolues.
Ceci par le developpement logiciel en C++ et en Python, en interaction avec les produits du suivi photométrique : les images profondes des champs et les courbes de lumière des transients. La classification des transients reste subjective, mais est éclairée par l'ajustement simultané des courbes de lumières et du spectre par SALT2, un modèle empirique de SN-Ia (J.Guy 2007).
117 SN-Ia certaines ou probables (55% puis 73% des observations des deux premières années) sont ainsi identifiées.

L’étude des réaction (a,g) d’intérêt astrophysique est vaste. Ces réactions ont un rôle important dans la phase de fusion d’hélium des étoiles, dans la nucléosynthèse au moment du big bang ainsi que dans une grande partie des scénarios d'explosions stellaires. L’étude des réactions (a,g) impliquant des faisceaux stables peut être réalisée de diverse façon. Je me suis concentrée sur deux d'entre elles. La première est l’étude en cinématique directe en détectant les rayons gamma produits. C'est ce que j'ai fait durant ma thèse pour mesurer la section efficace de 7Li(a,g)11B. Cette réaction a été étudiée au cours des années pour différentes raisons en astrophysique nucléaire. Par exemple, il a été postule que cette réaction pourrait résoudre, au moment de la nucléosynthèse du big bang, le problème du Lithium. Il est clair, aujourd'hui, que ce n'est pas la solution, cependant, elle a un rôle dans la production de boron lors des supernovae de type Ic. Une autre façon d’étudier les réactions (a,g) est d'utiliser la cinématique inverse. L’idée est d'envoyer un faisceau d'ions lourd sur une cible d’hélium. Ce type de cinématique permet de détecter, avec une bonne efficacité, le noyau lourd de recul produit si le faisceau qui n'a pas interagit avec la cible, en est correctement séparé. Les séparateurs de masses, comme St. George, sont construit dans ce but. St. George sera impliquer dans la mesure de sections efficaces de réaction d’importance pour le processus s comme 16O(a,g)20Ne
The study of (a,g) reactions of astrophysical interest is quite vast. These reactions play an important role in the quiescent Helium burning phase of stars, in big bang nucleosynthesis and in most explosive stellar scenarios. The studies of (a,g) reactions involving stable beams are performed in various ways. I have been concentrating on two of them. The first one is studying these reactions in direct kinematics by detecting the produced gamma rays. This is what I did during my thesis to measure the cross section of 7Li(a,g)11B. It has been studied throughout the years for several purposes in nuclear astrophysics. For example, it was postulated it could solve the big bang nucleosynthesis Lithium problem. Nowadays, it is clear it does not.However, this reaction plays a role in the production of Boron during type Ic Supernovae. Another way to study (a,g) reactions is to use inverse kinematics. The idea is to send a heavy element beam on a Helium target. This kind of kinematics allows for the detection, with good efficiency, of the heavy recoil product if the beam that did not interact in the target is properly separated. Recoil mass separators, like St. George, are built for this purpose. St. George will be involved in measuring cross sections of reaction important for the s-process like 16O(a,g)20Ne

On retrouve dans les météorites primitives des grains qui se sont condensés dans différents environnements stellaires et sont restés intacts après la formation du système solaire. L'identification du site d'origine de ces grains pré-solaires est effectuée grâce à la comparaison entre les abondances isotopiques mesurées et celles prédites par les modèles stellaires. Nous présentons dans ce manuscrit les analyses de deux expériences effectuées à l'installation ALTO avec le spectromètre magnétique split-pole, visant à réduire les incertitudes associées à deux réactions jouant un rôle dans la production des isotopes utilisés pour identifier les grains de novæ. Ces derniers sont caractérisés par des abondances extrêmes en ¹³C, ¹⁵N et ³⁰Si, mais la découverte dans certains grains d'isotopes caractéristiques de la nucléosynthèse dans les supernovæ à effondrement de coeur (CCSN) a remis en question cette origine. La première étude concerne l'impact du taux de la réaction ¹³N(a,p)¹⁶O sur les abondances en ¹³C prédites par de récents modèles de CCSN. Nous procédons à une ré-évaluation du taux de cette réaction en utilisant une méthode Monte Carlo pour obtenir des incertitudes statistiques. Les largeurs partielles alpha des états du noyau composé ¹⁷F sont déterminées en se basant sur les propriétés des états analogues du noyau miroir ¹⁷O qui ont été mesurées en utilisant la réaction de transfert alpha ¹³C(7Li,t)¹⁷O. Nous nous intéressons ensuite à la réaction ³⁰P(p,g)³¹S, qui est une des dernières réactions dont l'incertitude du taux a un impact important sur les prédictions faites par les modèles de novæ classiques, notamment des abondances en ³⁰Si. Pour réduire les incertitudes sur les propriétés spectroscopiques du noyau composé ³¹S, une étude de la réaction ³¹P(³He,t)³¹S a été effectuée. Les tritons et les protons de décroissance venant des états peuplés du ³¹S ont été détectés simultanément à l'aide du spectromètre et de détecteurs silicium à pistes. L'étude des corrélations angulaires proton est présentée et les rapports de branchement extraits
Primitive meteorites contain several types of dust grains that condensed in different stellar environments and survived destruction in the early Solar System. The stellar sources where these presolar grains come from are identified through comparisons between measurements of isotopic abundances and predictions by stellar models. In this manuscript is presented a detailed analysis of two experiments performed at the ALTO facility, using the split-pole magnetic spectrometer, aiming at reducing the nuclear uncertainties associated to two reactions which rate uncertainty affects the synthesis of isotopes used to identify putative novae grains. These grains are characterised by extremely high ¹³C, ¹⁵N and ³⁰Si isotopic abundances, but isotopic signatures found in a few grains indicate also a possible core-collapse supernovae (CCSN) origin. We first study the impact of the ¹³N(a,p)¹⁶O reaction rate uncertainty on ¹³C abundances predicted by recent CCSN models. We perform a re-evaluation of this reaction rate using a Monte Carlo approach to obtain meaningful statistical uncertainties. Alpha partial widths of states in the ¹⁷F compound nucleus are determined using the spectroscopic informations of the analog states in the ¹⁷O mirror nucleus that were measured using the ¹³C(7Li,t)¹⁷O alpha-transfer reaction. We then study the ³⁰P(p,g)³¹S reaction, which is one of the few remaining reactions which rate uncertainty has a strong impact on classical novae model predictions, in particular for ³⁰Si abundances. To reduce the nuclear uncertainties associated to this reaction, we studied the ³¹P(³He,t)³¹S reaction. Triton and proton decays from the populated states in ³¹S were detected simultaneously using the spectrometer and silicon strip detectors. The study of the angular correlations of proton decays is presented and branching ratios are extracted

La thèse porte sur l’étude des supernovae à effondrement de coeur (CCSN). D’abord, nous avons cherché à modéliser la composition du coeur de l’étoile massive lors de son effondrement. Nous avons élaboré un nouveau traitement de l’équilibre statistique nucléaire à partir d’une équation d’état basée sur l’approximation de noyau unique (Lattimer et Swesty, LS). Cela permet d’obtenir une description plus réaliste de la distribution des noyaux constitutifs du coeur et de quantifier plus spécifiquement le rôle des masses nucléaires. Les distributions obtenues avec la fonctionnelle de masse originelle (LS) et celles obtenues à partir des modèles de masse tels que HFB-24 et DZ10 ont été comparées pour plusieurs conditions thermodynamiques d’une trajectoire typique de CCSN. Les différences de composition pouvant conduire à des déviations sur le taux de capture électronique allant jusqu’à ∼25%, il est apparu important de définir un modèle de masse réaliste à utiliser pour la simulation de CCSN. Pour cela, nous avons réalisé des mesures de masse de précision dans la région d’intérêt, avec un double piège de Penning auprès de l’installation IGISOL (située à Jyväskylä, Finlande). Cinq nouveaux excès de masse ont été déterminés pour les noyaux suivants : 69m,70Co, 74,75Ni et 76mCu. La précision a été améliorée pour cinq autres : 67Fe, 69Co, 76,78Cu, 79mZn. Enfin, nous avons confirmé les valeurs obtenues par des études récentes pour le 77Cu et le 79Zn. Dès lors, les valeurs expérimentales des gaps nucléaires Z=28 et N=50 ont été comparées aux résultats prédits par DZ10 et HFB-24. Ce dernier modèle reproduit mieux l’évolution des gaps en question. De fait, HFB-24 a été utilisé dans notre nouveau traitement statistique, que nous avons implémenté dans une simulation hydrodynamique existante de CCSN. Au final, nous avons observé un impact modéré du modèle de masse sur la composition du coeur en effondrement. Par ailleurs, nous avons montré que ces différences de composition ont peu d’effet sur la dynamique d’effondrement, celle-ci semble plus affectée par le taux de capture électronique. Les études futures devraient se focaliser plutôt sur ce paramètre
The thesis sets itself in the framework of the study of core-collapse supernovae (CCSN). First, the modeling of the composition of the core of a massive star during its collapse has been investigated. To this aim, we have built a new treatment of the nuclear statistical equilibrium starting from a single-nucleus approximation equation of state (Lattimer and Swesty, LS). This allows a more realistic description of the nuclear distribution inside the core and, more specifically, to quantify the role of the nuclear masses. The distributions obtained with the original mass functional (LS) and those obtained with HFB-24 and DZ10 mass models have been compared for several thermodynamic conditions of a typical CCSN trajectory. The differences in the composition could lead up to ∼25% deviations in the electron-capture rate, thus showing the need to identify a proper mass model to use in CCSN simulations. Therefore, we performed high precision mass measurements in the nuclear mass region of interest, via a double Penning trap at the IGISOL facility (Jyväskylä, Finland). Five new mass excess were determined for the following nuclei : 69m,70Co, 74,75Ni and 76mCu. The precision has been improved for five others : 67Fe, 69Co, 76,78Cu and 79mZn. Finally, we have confirmed the values obtained by recent studies for 77Cu and 79Zn. The experimental values of the nuclear gaps for Z=28 and N=50 have been compared with the results predicted by DZ10 and HFB-24. The latter model better reproduces the evolution of these gaps. Therefore, HFB-24 was used in our new statistical treatment, that we implemented in an existing CCSN hydrodynamical simulation. We have observed a moderated impact of the mass model on the composition of the collapsing core. Moreover, we found that the differences in composition have small effect on the collapse dynamics, which appears to be more sensitive to the electron-capture model. Further studies should thus focus on this parameter

L'objectif de cette thèse est de fournir puis d'exploiter des contraintes observationnelles relatives aux étoiles massives et à leurs explosions de supernova. Pour cela, nous nous intéressons à la signature de leur activité de nucléosynthèse et plus particulièrement au rayonnement de décroissance de plusieurs isotopes radioactifs produits et libérés à divers stades de leur existence : le 44Ti, l'26Al et le 60Fe. Grâce au spectromètre haute-résolution SPI embarqué sur l'observatoire spatial INTEGRAL, nous avons pu caractériser l'émission de raies gamma associée à la décroissance de ces trois radio-isotopes.
Dans un premier temps, nous nous concentrons sur l'émission de décroissance du 44Ti présent dans le vestige de supernova Cassiopée A. Le but de cette étude est d'obtenir, par une analyse spectrale du signal, une information sur la cinématique de l'ejecta de Cassiopée A. Une telle donnée pourrait alors nous renseigner sur le mécanisme incertain par lequel l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive en fin de vie aboutit à une explosion de supernova.
Nous nous intéressons ensuite aux raies gamma de la décroissance de l'26Al et du 60Fe. Ces deux isotopes à longue durée de vie s'accumulent dans le milieu interstellaire autour des étoiles massives et donnent lieu à une émission galactique diffuse à 1809 et 1173/1332 keV respectivement. Les observations SPI de cette émission sont confrontées à un modèle de la nucléosynthèse galactique construit à partir des plus récents modèles stellaires. Un travail plus détaillé est alors consacré à la région du Cygne, qui abrite une forte concentration d'étoiles massives proches. Les données SPI obtenues sont comparées aux prédictions théoriques d'un code de synthèse de population et d'une simulation numérique de diffusion de l'26Al à l'intérieur de la superbulle soufflée par l'amas Cyg OB2.

Supernovae are the brightest explosions in the universe. Supernovae in our Galaxy, rare and happening only every few centuries, have probably been observed since the beginnings of mankind. At first they were interpreted as religious omens but in the last half millennium they have increasingly been used to study the cosmos and our place in it. Tycho Brahe deduced from his observations of the famous supernova in 1572, that the stars, in contrast to the widely believe Aristotelian doctrine, were not immutable. More than 400 years after Tycho made his paradigm changing discovery using SN 1572, and some 60 years after supernovae had been identified as distant dying stars, two teams changed the view of the world again using supernovae. The found that the Universe was accelerating in its expansion, a conclusion that could most easily be explained if more than 70% of the Universe was some previously un-identified form of matter now often referred to as `Dark Energy'. Beyond their prominent role as tools to gauge our place in the Universe, supernovae themselves have been studied well over the past 75 years. We now know that there are two main physical causes of these cataclysmic events. One of these channels is the collapse of the core of a massive star. The observationally motivated classes Type II, Type Ib and Type Ic have been attributed to these events. This thesis, however is dedicated to the second group of supernovae, the thermonuclear explosions of degenerate carbon and oxygen rich material and lacking hydrogen - called Type Ia supernovae (SNe Ia). White dwarf stars are formed at the end of a typical star's life when nuclear burning ceases in the core, the outer envelope is ejected, with the degenerate core typically cooling for eternity. Theory predicts that such stars will self ignite when close to 1.38 Msun (called the Chandrasekhar Mass). Most stars however leave white dwarfs with 0.6 Msun, and no star leaves a remnant as heavy as 1.38 Msun, which suggests that they somehow need to acquire mass if they are to explode as SN Ia. Currently there are two major scenarios for this mass acquisition. In the favoured single degenerate scenario the white dwarf accretes matter from a companion star which is much younger in its evolutionary state. The less favoured double degenerate scenario sees the merger of two white dwarfs (with a total combined mass of more than 1.38 Msun). This thesis has tried to answer the question about the mass acquisition in two ways. First the single degenerate scenario predicts a surviving companion post-explosion. We undertook an observational campaign to find this companion in two ancient supernovae (SN 1572 and SN 1006). Secondly, we have extended an existing code to extract the elemental and energy yields of SNe Ia spectra by automating spectra fitting to specific SNe Ia. This type of analysis, in turn, help diagnose to which of the two major progenitor scenarios is right.

This thesis is an observational and theoretical study of the optical emission from nonradiative shocks in three supernova remnants: the Cygnus Loop, RCW 86 and Tycho, which together span a wide range of shock velocities (300 ≲ vS ≲ 2000 km s-1). The spectra are dominated by Balmer lines of H which have both a broad component caused by proton-neutral charge exchange and a narrow component produced by collisional excitation close to the shock front. The broad to narrow flux ratios observed in all three remnants are systematically smaller in Halpha than in Hbeta, and the narrow Balmer decrement is larger than the broad Balmer decrement. The broad component Halpha profiles of RCW 86 and Tycho are Gaussian, indicating that the postshock protons follow a Maxwellian velocity distribution. To model the data, a new numerical shock code was developed which computes the broad and narrow Balmer line emission from a nonradiative shock in partially neutral gas. The models calculate the density, temperature and size of the postshock ionization layer for arbitrary electron-proton temperature equilibrations, and use a Monte Carlo simulation to compute narrow Balmer line enhancement from Lyman line trapping. The models constrain the shock velocity and equilibration of nonradiative shocks in each remnant using the observed Halpha and Hbeta broad to narrow ratios. The models show that differences between the observed broad and narrow Balmer decrements can be explained by Lyman line trapping. The models also show that variations in electron-proton equilibration can reproduce the observed range of broad to narrow ratios. The results give 50--100% equilibration in nonradiative portions of the NE Cygnus Loop (vS ∼ 300 km s-1) and 40--50% equilibration in nonradiative portions of RCW 86 (vS ∼ 600 km s-1 ). In Tycho there are major discrepancies between the predicted and observed broad to narrow ratios, with only the Hbeta ratio matching the observations. The discrepancies may be due to additional narrow component emission that arises from a cosmic ray/fast neutral precursor. The observed Hbeta broad to narrow ratio implies ≲ 20% equilibration in Tycho. Hence, there is an inverse correlation between Mach number and equilibration for the three observed remnants. This correlation suggests there may be significant differences between collisionless shocks at low and high Mach numbers. The spectroscopic observations also led to the serendipitous discovery of a photoionization precursor in Tycho. The precursor appears as a faint, diffuse region that extends several arcminutes ahead of the Balmer-dominated shocks in Tycho. A new photoionization model shows that the diffuse emission is mostly warm, neutral gas heated to ∼12,000 K by He II lambda304 photons from the nonradiative shock. High resolution spectra indicate that the upstream gas is further heated to ∼40,000 K just before entering the shock. This additional heating may arise from a second precursor produced either by cosmic rays or fast (broad component) neutrals from behind the hot postshock gas.

Type Ia supernovae (SNe Ia) are excellent tools in cosmology. Their intrinsic luminosities are found to vary systematically with the light-curve widths, providing an empirical calibration. This property, called the width-luminosity relation (WLR), is the basis of modern SN Ia cosmology and led to the unexpected discovery of the current accelerated rate of cosmic expansion. By examining the spectroscopic diversity of SNe Ia, this thesis aims to improve both the use of SNe Ia in cosmology and the physical understanding of the observed properties. Spectra of SNe Ia contain a wealth of information, but are difficult to organize. In this thesis, new methods are developed to consistently quantify and analyze the spectral features of supernovae. The efficacy of the methods is tested on a large library of observed spectra encompassing a wide range of properties. The spectroscopic diversity of SNe Ia enters cosmology through K-correction calculations. Before this work, K-correction was a major contributor of the systematic errors in cosmology. It is shown here that the systematic errors can be largely diminished by carefully quantifying the mean spectroscopic properties of SNe Ia. The remaining statistical errors are also quantified and shown to be redshift dependent. With the aid of principal component analysis (PCA), the multidimensional spectral information is reduced to a few components describing the largest variations in the spectral library. Using this tool, it is shown here that SN Ia intrinsic luminosity is the main driver of the spectroscopic diversity at maximum light, for every spectral feature from the ultraviolet to the near-infrared. These spectroscopic sequences can potentially account for a large fraction of the K-correction statistical errors and even enable the use of SN Ia spectra as independent indicators of intrinsic luminosity and colors. The established relations will also disentangle the effects of demographic shift and true evolution in high-redshift SN Ia spectra. The temporal evolution of the spectral features is shown to exhibit the persistence of the spectroscopic sequences throughout other epochs. The effect is attributed to the more rapid spectroscopic temporal evolution of fainter SNe Ia. This conclusion supports the theory that WLR is primarily a spectroscopic effect, rather than a bolometric one.

The explosion of a massive star results in an immense expulsion of energy and stellar debris (ejecta) that are heated to extremely high temperatures forming what is known as a super va remnant (SNR). Presented is a CHANDRA 0.5-10 keV X-ray study of the SNR RCW 103, a bright SNR that contains the unusual compact object 1E 161348-5055. This study is the first dedicated and complete imaging and spatially resolved spectroscopic study of the SNR aimed at addressing the intrinsic properties of the SNR, including the explosion energy, ambient density, age, and distance. The SNR's X-ray spectrum is dominated by thermal X-ray emission, requiring globally two components with temperatures at ~0.6 keV and ~0.27 keV and di fferent ionization timescales and abundances. We identify clumpy regions of enhanced abundances suggesting the presence of ejecta. The SNR age is estimated at 1.0-3.7 kyr at a distance of 3.1 kpc.
May 2016