Mes travaux de recherche portent principalement sur la formation des étoiles et des systèmes planétaires. C'est un des domaines de recherche identifiés comme prioritaires par la communauté astronomique canadienne. Pour ces travaux, j’utilise principalement la polarisation de lumière comme moyen d’obtenir de l’information.

Voici deux exemples de projets en cours:

1. La lumière naturelle présente un plan de vibration qui varie de façon aléatoire. La lumière peut aussi vibrer selon un plan préférentiel ; on dit qu’elle est polarisée. Pour mesurer la polarisation de la lumière provenant d’objets célestes, je supervise la construction d’un nouveau polarimètre l'Observatoire du Mont-Mégantic, POMM, qui sera 100 plus précis que son prédécesseur. La lumière d’une étoile jeune est diffusée par des grains de poussières microscopiques qui la polarisent. En mesurant cette polarisation nous apprenons sur les propriétés des grains et sur la distribution de la matière autour des étoiles jeunes ou avec disques de débris. En combinant ces données avec d’autres types d’observations et avec des modèles, on apprend sur les conditions dans les disques protoplanétaires où se forment des planètes. Je vais aussi observer des étoiles avec des exoplanètes afin d’apprendre sur les propriétés de l’atmosphère de ces planètes et déterminer l’inclinaison de l’orbite.
2. J’ai aussi construit un polarimètre, POL-2, pour le radiotélescope James-Clerk-Maxwell sur le Mauna Kea à Hawaii. Celui-ci nous renseignera bientôt sur les effets des champs magnétiques dans les nuages moléculaires denses et sur les processus de formation d’étoiles. Nous voulons savoir si les champs magnétiques sont plus importants que la turbulence (ou l’inverse) pour freiner la formation des étoiles parce les observations nous montrent qu’elle est plus lente que ce que nos modèles prédisent.

Champs d'expertise

• Formation d'étoiles
• Polarimétrie
• Étoiles jeunes

Les 5 prochaines années représentent une opportunité unique dans l’histoire de l’astrophysique planétaire. Pour la première fois, les techniques observationnelles, les modèles théoriques et un nombre suffisant d’exoplanètes sont connues pour caractériser spectroscopiquement une large diversité de planètes: des planètes géantes incroyablement chaudes à des planètes tempérées de la taille de la Terre qui sont dans la zone habitable de leur étoile hôte.

Plusieurs questions demeurent: comment et où se forment les planètes? Quels matériaux les composent? Quels gaz se trouvent dans leur atmosphères? Quel rôle jouent les nuages et la brume? Quelle est la taille maximale d’une planète terrestre? Quelle est la taille minimale d’une planète gazeuse? Et finalement, quelles planètes peuvent abriter la vie?

L’équipe du professeur Benneke est dans une position exceptionnelle pour répondre à plusieurs des questions énumérées ci-dessus parce qu’elle conduit présentement plusieurs programmes observationnels inédits qui utilisent les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, ainsi les télescopes de 10 mètres du Keck. Professeur Benneke et ses collaborateurs ont développé des outils d’analyse et de modélisation puissants pour interpréter ces ensembles de données uniques. Les questions sur lesquelles le groupe du Professeur Benneke travaille sont:

• Explorer la diversité des atmosphères planétaires des super Terres et des exo-Neptunes grâce à la technique de spectroscopie de transit avec le télescope spatial Hubble. Professor Benneke est le chercheur principal du plus gros programme de Hubble pour caractériser les petites exoplanètes.
• Sonder la formation des planètes géantes en utilisant la spectroscopie infrarouge haute résolution sur les télescopes de 10 mètres du Keck
• Caractérisation de l’atmosphère et cartographie des exoplanètes grâce au futur télescope spatial James Webb (JWST)
• Comprendre les types de nuages exotiques sur les exoplanètes
• Découvrir et faire la caractérisation initiale des cibles idéales pour le télescope spatial James Webb en utilisant la missions K2, le télescope spatial TESS et un suivi grâce à des observatoires au sol

Je m'intéresse à l'étude des étoiles naines blanches et plus particulièrement au calcul de modèles d'atmosphères. Les étoiles naines blanches représentent le dernier stade évolutif de plus de 97% des étoiles dans notre galaxie, y compris notre Soleil. Ayant épuisé les sources d’énergie nucléaires en leur centre, les naines blanches se refroidissent tranquillement sur des périodes de temps de plusieurs milliards d’années.

Elles possèdent une masse comparable à celle du Soleil mais dans un volume égal à celui de la Terre, ce qui en fait donc des objets extrêmement compacts dont la densité est un million de fois celle du Soleil. L’étude de ces cadavres stellaires et la détermination de leurs paramètres fondamentaux tels leur température, leur masse et leur composition chimique nous renseignent non seulement sur la nature de ces étoiles, mais aussi sur le lien évolutif avec les étoiles qui les ont engendrées.

La méthode la plus précise utilisée pour mesurer les paramètres fondamentaux des étoiles naines blanches consiste à comparer en détail les données spectroscopiques, c’est-à-dire la distribution du flux en fonction de la longueur d’onde, avec les prédictions théoriques obtenues à partir de modèles d’atmosphère, une méthode que nous peaufinons depuis des années à l’Université de Montréal. L’atmosphère d’une étoile correspond à cette mince couche superficielle d’où provient le flux du rayonnement.
Je m’intéresse également à l'étude des étoiles naines blanches variables de type ZZ Ceti, et plus particulièrement à la détermination empirique des limites en température de la bande d'instabilité. Mes projets théoriques utilisent des données photométriques et spectroscopiques obtenues aux différents observatoires de Kitt Peak en Arizona (2.3 m de Steward, 2.1 m et 4 m de Kitt Peak) et à l'Observatoire du Mont-Mégantic.

Les travaux de recherche de René Doyon mettent l'emphase sur le développement d'instrumentation astronomique d'avant-garde pour divers observatoires au sol et dans l'espace. Il participe aussi activement à divers programmes d'observation ciblant la recherche et la caractérisation de naines brunes, d'exoplanètes et d'étoiles jeunes de faible masse. Pour le volet instrumental, René Doyon mène divers projets d'instrumentation dans le domaine infrarouge (caméra et spectrographe) pour le télescope de l'Observatoire du Mont- Mégantic. Il participe aussi au développement du Gemini Planet Imager pour le télescope Gemini-Sud au Chili, en opération depuis 2013. Il est le co-chercheur principal de SPIRou, un spectro-polarimètre à haute résolution, optimisé pour le domaine infrarouge, pour le Télescope Canada-France-Hawaii. SPIRou est conçu pour détecter des planètes telluriques (i.e. semblables à la Terre), situées dans la zone « habitable » autour d'étoiles de faible masse du voisinage solaire. René Doyon est aussi le chercheur principal de NIRISS, l'un des quatre instruments scientifiques du télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu pour octobre 2018.

Mes travaux de recherche sont principalement orientés vers l’étude de l’atmosphère des étoiles naines blanches, et ce, autant d’un point de vue théorique (calculs détaillés de modèles d’atmosphères) qu’observationnel (observations spectroscopiques et photométriques). Les naines blanches sont des résidus d’étoiles de faible masse ayant épuisé leur réserve de carburant nucléaire. Une naine blanche typique est composée d’un noyau de carbone et d’oxygène représentant plus de 99% de sa masse, entouré d’une mince couche d’hélium qui elle-même est entourée, dans environ 80% des cas, d’une autre mince couche d’hydrogène. Ces couches, bien que minces, sont optiquement opaques et régulent le taux de perte d’énergie de l’étoile (c’est-à-dire son taux de refroidissement). Afin de bien comprendre l’évolution des naines blanches, il s’avère donc essentiel de bien comprendre les propriétés physiques de ces couches superficielles. L’analyse spectroscopique de la lumière provenant de l’atmosphère de naines blanches est la principale technique utilisée afin d’obtenir de l’information sur les parties externes des naines blanches. Mes travaux sont orientés vers l’analyse d’étoiles ayant des traces d’éléments lourds (type spectral DZ et DQ) ainsi que des étoiles ayant une atmosphère de carbone.

Spécialiste des détecteurs semi-conducteurs utilisés en recherche nucléaire, Louis-André Hamel a été approché en 1994 par des physiciens de l’Université d’Arizona pour interpréter les signaux qu’ils observaient dans leur dispositif semi-conducteur cadmium-zinc-tellure (CdZnTe). Il s’est intéressé au problème et a présenté les résultats de sa réflexion l’année suivante, à Grenoble. Il y a rencontré alors des physiciens du Space Science Center de l’Université du New Hampshire qui désiraient aussi mettre au point un détecteur au CdZnTe pour une application d’imagerie en astrophysique. Le détecteur idéal devrait à la fois avoir une excellente résolution en position et en énergie et présenter le plus petit nombre de canaux d’électronique, ce qui a amené le professeur Hamel et son équipe à élaborer ce nouveau dispositif.

Ne laissez pas le nom vous tromper : les trous noirs ne sont pas que de l’espace vide. Ce sont les objets les plus étranges et les plus fascinants de l’Univers, si étranges qu’Einstein lui-même ne crut pas en leur existence. Pourtant, il est maintenant établi, hors de tout doute, que les trous noirs existent et qu’ils jouent un rôle fondamental dans l’Univers.

La professeure Julie Hlavacek-Larrondo est une experte de renommée internationale dans l’étude des trous noirs supermassifs. Professeure agrégée au Département de physique de l’Université de Montréal, ses travaux ont eu des répercussions majeures dans la compréhension de la coévolution des galaxies et des trous noirs.

En plus d’être lauréate d’une panoplie de prix d’excellence en recherche, dont une Chaire de recherche du Canada, Mme Hlavacek-Larrondo s’est vue octroyer, à titre de chercheuse principale, du temps d’utilisation sur les plus grands télescopes du monde, incluant le Chandra X-ray Observatory, le nouveau Very Large Array, le Hubble Space Telescope et les observatoires Gemini. Plusieurs des projets de mes étudiants découlent du temps que nous obtenons sur ces télescopes.

Lorsque un trou noir supermassif accrête de la matiere, il manifeste souvent des propriétés remarquables: il peut être si brillant que sa luminosité finit par surpasser celle de la galaxie, et peut créer des jets de particules relativistes si puissants que ces jets finissent par se propager à des distances phénoménales, souvent beaucoup plus grandes que la taille de la galaxie elle-même. Les trous noirs jouent donc un rôle indéniable sur les propriétés finales du milieu environnant. Malgré cette importance, les détails de ce rôle demeurent peu connus.

Le but de sa recherche est ainsi de mener des projets originaux et d’avant-garde qui vont considérablement améliorer notre compréhension des trous noirs. Pour accomplir ceci, Mme Hlavacek-Larrondo utilise aussi des techniques innovatrices en intelligence artificielle (apprentissage automatique / deep learning) qui permettent de percer le mystère de ces objets, contribuant ainsi irrévocablement à l’expansion de l’univers du possible.

Elle est  aussi une ardente défenseuse de la diversité et a notamment cofondé le projet Parité sciences (www.paritesciences.com).

L'étude des exoplanètes vise à établir la prépondérance et la diversité des systèmes planétaires dans notre galaxie, à comprendre comment ces systèmes se forment et évoluent, à maîtriser la physique en jeu dans leur atmosphère et leur intérieur, et ultimement, à détecter des traces de vie ailleurs dans l'Univers. C’est dans cette lignée que les principaux travaux du groupe de recherche du professeur David Lafrenière s'inscrivent. Les recherches sont principalement effectuées grâces aux techniques d'imagerie directe aux longueurs d’onde infrarouges pour détecter de nouvelles planètes, pour ensuite en mesurer les propriétés physiques. Pour parvenir à "voir" ces planètes très faibles et très rapprochées de leur étoile qui est plusieurs millions de fois plus brillante, il est nécessaire de continuellement mettre au point de nouvelles techniques d'observation et de traitement d'images et même construire de nouveaux instruments. Avec la technologie actuelle, il est possible de détecter des planètes géantes gazeuses ayant des orbites de la taille du système solaire externe ou plus grandes.

En plus de l'imagerie directe de planètes, le groupe de recherche du professeur David Lafrenière s'intéresse aussi à la caractérisation des planètes de type « Jupiter chaude » en utilisant la spectro-photométrie de transit/d'éclipse et le chronométrage de transit. Les travaux du groupe sont aussi axés sur l'étude des naines brunes, sur la recherche d’étoiles jeunes de faible masse dans le voisinage solaire, et sur l'étude de la multiplicité stellaire et sous-stellaire.  David Lafrenière est le chercheur principal du projet PESTO.

Les travaux de professeur émérite de l’université de Montréal Anthony Moffat sont axés sur l’étude des étoiles massives. Les étoiles massives comprennent toutes les étoiles de masse initiale au-delà de 8 masses solaires, qui s'effondrent sur elles-mêmes comme supernovae à la fin de leur vie de « brûlage » nucléaire, laissant des étoiles à neutrons ou des trous noirs. Puisque le rendement en lumière d'une étoile normale va environ comme la cube de sa masse, une seule étoile de 100 masses solaires peut émettre l'équivalent de la lumière d'un million de soleils. Au-delà de 20 masses solaires, les étoiles massives se distinguent par leur vent fort, jusqu’à un milliard de fois plus important que celui du soleil, qu’on croît être déjà très important (comètes, aurores, …). Ainsi, bien que rares et de court temps de vie, les étoiles massives livrent des quantités énormes de rayonnement, la plupart en ultraviolet mortel, et de la matière enrichie en éléments lourds, au milieu interstellaire, prête à former encore plus d'autres générations d`étoiles et planètes comme la Terre. Ce processus était surtout important tôt dans l'Univers, quand les toutes premières étoiles se formaient, toutes très massives.

Les buts principaux de mes recherches sont à explorer :

1. si la pression de la radiation seule peut accélérer les vents extrêmes des étoiles pré-supernova, i.e. pendant la phase de brûlage de He en tant qu’étoiles Wolf-Rayet, en se servant du premier télescope spatial canadien à bord du microsatellite MOST,
2. en construisant un système de microsatellites (BRITE-Constellation) pour examiner les propriétés d`instabilité à très faible ampleur d'un grand échantillon d'étoiles lumineuses,
3. la façon exacte avec laquelle les vents s'accélèrent autour des étoiles lumineuses et chaudes,
4. le rôle des champs magnétiques en accélérant leurs vents,
5. le mystère de comment les grains de poussière se forment et survivent dans l’environnement hostile des étoiles chaudes et lumineuses,
6. la limite supérieur pour les étoiles les plus massives (est-elle de 100, 150 ou 200 masses solaires dans l’Univers actuel ?),
7. le contenu en étoiles WR dans toute notre Galaxie, la plupart desquelles sont cachées par la poussière interstellaire,
8. et si les étoiles WR explosent vraiment en supernova, menant dans certains cas au phénomène le plus énergétique (bien que de courte durée) dans l'Univers, les sursauts de rayons gammas.

L'astronomie dans l'infrarouge, à des longueurs d'onde plus grandes que 1 micromètre, est la méthode de choix pour observer :

• les objets ayant une température de surface plus basse que 3000 K, tels que les étoiles en formation, les naines brunes, ou les planètes,
• les grains de poussière et les molécules de H2, de CO, de CH4, etc. émettant dans le milieu interstellaire et circumstellaire, et
• les sources qui, aux longueurs d'onde visibles, sont cachées de notre vue par la poussière interstellaire des régions de formation d'étoiles et du plan de la Galaxie.

Par ailleurs, des centaines de galaxies émettent plus de 95% de leur radiation dans l'infrarouge. Pour aborder ce vaste domaine de recherche, nous avons développé depuis 30 ans un programme d'astronomie infrarouge à l'Université de Montréal, ce qui inclut la construction de caméras et spectromètres pour l'Observatoire du Mont Mégantic et pour le Télescope Canada-France-Hawaï. Ceci nous a amené à étudier entre autres l'émission du H2 excité par les jets supersoniques des régions de formation d'étoiles, les effets de microlentilles gravitationnelles sur les images multiples d'un quasar, et l'environnement d'étoiles proches à la recherche de compagnons de masse planétaire. Depuis quelques années, notre recherche se concentre sur la détection, l'identification et l'étude des naines brunes, ces objets dont la masse est plus grande que celle des planètes, ce qui leur permet de faire le brûlage nucléaire du deutérium, mais plus petite que celle des étoiles, ce qui les condamne à se refroidir graduellement, ne pouvant profiter de la stabilité à long terme de la nucléosynthèse des protons en hélium.

Mes travaux de recherche portent sur le vent des étoiles les plus massives. À cause de leur grande luminosité atteignant un million de fois celle du Soleil, ces étoiles perdent une fraction significative de leur masse au cours de leur vie. Ce vent stellaire n'est pas symétrique et homogène. Non seulement contient-il des inhomogénéités à petites échelles s'apparentant à la turbulence mais dans certains cas, on y retrouve également des structures à grande échelle. Ces dernières sont particulièrement intrigantes car elles sont engendrées par un mécanisme encore non-identifié se produisant à la surface de l'étoile.

Les mécanismes possibles inclus les champs magnétiques ou les pulsations, deux processus physique importants pour l'évolution des étoiles massives mais pour lesquels nous possédons encore très peu d'information.

Les conséquences de ces structures à grande échelle sur les données observables (spectre, photométrie, taux de polarisation) peuvent aussi nous aider à déterminer un paramètre fondamental de ces étoiles: la vitesse de rotation. Cette donnée importante est habituellement impossible à mesurer pour les étoiles massives que j'étudie car leur surface est complètement enfouie derrière le vent très dense. Les structures à grande échelle étant attachées à la surface, l'identification d'une période dans les variations du spectre ou de la lumière de l'étoile nous permet de déduire la vitesse de rotation.