Nucleosynthesis in accretion disks around black holes

Nucleosynthesis is the mechanism which produces new elements in nuclear reactions. Nuclear reaction rates are highly temperature dependant, and nuclear reactions take place in very hot environments. Current theories predict that the light elements such as hydrogen and helium were produced during the Big Bang. On the other hand, the core of stars produce heavier elements through nuclear fusion. These new elements are then released to the interstellar medium through stellar winds, enriching the gas which will form later generations of stars. Black hole accretion disks also can contain material of high temperatures generated by high accretion rates, allowing nuclear fusion to take place. Nucleosynthesis products can be expelled in winds driven by a super-Eddington accretion, and enrich the interstellar medium. I wrote a computer program 1 integrating a nuclear burning network in a black hole accretion disk for various ranges of black hole mass and accretion rates. I found that the accretion rate needed for nucleosynthesis to take place increases with the black hole mass. The highest temperatures are located in the inner disk, and the black hole event horizon increases linearly with its mass, preventing the disk from attaining high temperatures. For a stellar mass black hole, highly super-Eddington accretion rates allow nuclear burning and powerful winds. Such accretion rates can be supplied by unstable mass transfer during the disruption of a white dwarf. The alpha chain reactions, involving captures of helium nuclei, structure the disk composition radially, with isotope abundances dominating at specific radii. Assuming a given fraction of the disk material is expelled in winds due to Super-Eddington accretion, and knowing the rate at which such events happen in the Galaxy allowed me to compute upper limits of the contribution of accretion disks to the interstellar medium enrichment. Comparing this production to combined stellar yields from stars, I find that black hole–white dwarf accretion disks produce at most 10 −4 times the amount of the same elements that stars produce. This result shows that such a small contribution can be neglected to the overall content of the Galaxy. But the nucleosynthesis involved in general may perhaps play a role in observing these systems, for example a light curve emitted by radioactive elements produced in these short-lived black hole accretion disks.La nucléosynthèse dans les disques d'accrétion autour de trous noirs. "Nous sommes faits de poussières d'étoiles", comme le décrit Hubert Reeves, reprenant, dans son magnifique ouvrage sur la synthèse des éléments dans l'Univers, l'idée de Carl Sagan. Cela signifie que les éléments qui nous compensent ajourd'hui, carbone, oxygène, calcium, etc., ont été fabriqués à partir de l'hydrogène et de l'hélium hérités du Big Bang, dans les denses coeurs brûlants des étoiles. Mais est-ce là la fin de l'histoire ? La synthèse des éléments nécessite des conditions extrêmes de températures et densités. Ces conditions sont atteignables dans les disques formés par le le gas qui se fait avaler par les trous noirs, objets si denses que même la lumière ne peut s'en échapper. Du gas orbitant un trou noir chauffe par friction, permettant à des réactions nucléaires d'avoir lieu. Si une partie des éléments produits peu s'échapper, à l'aide de vents par exemple, alors peut-être que les disques d'accrétion autour des trous noirs jouent un rôle dans la synthèse des éléments nous composant. Seulement, les températures ne sont suffisantes que dans de rares conditions qui mettent en jeu la destruction d'objets compacts, tels que les naines blanches et les étoiles à neutrons, qui sont respectivement les restes de vies d'étoiles légères, et massives. Le travail décrit dans ce mémoire se concentre sur les réactions nucléaires dans les disques d'accrétion provenant de ma destructions d'une naine blanche par un trou noir. Comme ces événements sont très rares, leur contribution à la synthèse des éléments qui nous cmposent aujourd'hui est négligeable comparée à tout ce que les nombreuses étoiles de notre galaxie produisent. En revanche, le cas des étoiles à neutrons n'a pas dit son dernier mot et est toujours un sujet de recherche actuel. Quoi qu'il en soit, les cas les plus prometteurs de synthèse des éléments dans les disques d'accrétion autour des trous noirs mettent en jeu des étoiles, donc il est bien vrai, nous sommes des poussières d'étoiles.Nukleosynthes i ackretionsskrivor kring svarta hål. Hur bildas atomerna som bygger upp oss människor - till exempel atomer av kol, syre eller kalcium? Den idag gâllande teorin är att lättare atomer såsom väte, helium och litium skapades vid "Big Bang", medan en supernova från en döende stjärna producerade och frigjorde bland annat kol, syre, kalcium och järn. Det som stjärnnor och Big Bang har gemensamt i sin förmåga att fungera som kärnreaktorer är att de utmärks av väldigt hög värme och en hög densitet. Ett svart hål som muycket snabbt fångar gaser från en omgivande ansamlingsskiva, som vi kallar ackretionsskiva, skapar också mycket hög värme och hög densitet. Detta tillstånd har också alla fôrutsättningar att fungera som en kärnreactor och att skapa nya tyngre grundåmnen. I mitt examenarsbete har jag undersökt kärnreaktioner i sådana ackretionsskivor kring svarta hål. Temperaturen och densiteten blir tillråckligt hög endast om infångningen av gaser sker mycket hastigt. Detta kan inträffa om ansamlingsskivan kommer från en vit dvärg, vilken ökar i storlek när den kastat ut massa. Jag har skrivit ett program som beräknar hur mycket av nua tyngre atomer som skapas och frigörs. Jämfört med stjärnor är produktionen av nya grundämnen betydligt mindre förekommande. Eftersom en vit dvärg utgör slutprodukten från en död stjärna, kan vi alltid säga att vi människor har erhållit våra byggstenar från stjärnstoft

Forward Modelling the Secular Evolution of the Milky Way Disk

We know precisely the position of the Sun in our Galaxy. Yet, like for most stars, we cannot tell where it was born. Stars undergo dynamical memory loss: their orbits evolve, because the Milky Way, like many galaxies, has non-axisymmetric structures (e.g. bar, spirals) that shuffle stellar orbits. My thesis quantifies the strength of that process to answer: How (much) do stars change orbit? Can we still infer their birth places, to constrain the formation of the Milky Way disk? I have combined data from the large stellar surveys APOGEE and Gaia, and developed a method to extract the information they contain on the Galactic disk evolution. I forward-modelled the formation of the stellar disk, the stars’ elemental abundances and their subsquent orbital diffusion, which then informs us about their birth radii through ’weak chemical tagging’. I have found that stars can change orbits by large amounts, and most of this evolution is cold (the orbits stay near- circular). Secular evolution determines how the Milky Way disk is structued. If the Milky Way is typical this explain what drives disk galaxies in general to their typical exponential disk density profiles

Anosov flows in dimension 3 from gluing building blocks with quasi-transverse boundary

We prove a new result allowing to construct Anosov flows in dimension 3 by gluing building blocks. By a building block, we mean a compact 3-manifold with boundary $P$, equipped with a $C^1$ vector field $X$, such that the maximal invariant set $\cap_{t \in \mathbb{R}} X^t (P)$ is a saddle hyperbolic set, and the boundary $\partial P$ is quasi-transverse to $X$, i.e. transverse except for a finite number of periodic orbits contained in $\partial P$. Our gluing theorem is a generalization of a recent result of F. B\'eguin, C. Bonatti, and B. Yu who only considered the case where the block does not contain attractors nor repellers, and the boundary $\partial P$ is transverse to $X$. The quasi-transverse setting is much more natural. Indeed, our result can be seen as a counterpart of a theorem by Barbot and Fenley which roughly states that every 3-dimensional Anosov flow admits a canonical decomposition into building blocks (with quasi-transverse boundary). We will also show a number of applications of our theorem.Comment: 160 pages, 98 figure

Physique des métamorphoses de la neige sèche : de la microstructure aux propriétés macroscopiques

The main objective of the thesis is to improve our knowledge about dry snow metamorphismand its physical description, at the microscopic (ice grains and pores) andmacroscopic (snow layer) scales. First, the homogenization method of multiple scaleexpansions is applied for the first time to the physics involved in dry snow metamorphism.This way, we present the equivalent macroscopic descriptions of heat and vaportransfers derived from the physical description at micro-scale. We consider at the grainscale diffusion, conduction, and forced convection, coupled to phase changes (sublimationand deposition). Second, the effective properties of transport arising in the macroscopicdescriptions (effective thermal conductivity, effective coefficient of vapor diffusion, andintrinsic permeability) are estimated from 3D images of snow spanning the whole range ofdensity and snow types. Finally, the monitoring of metamorphism with time is considered.The relationship between the microstructure and the effective properties of a snow layerare investigated during temperature gradient metamorphism using 3D images. We presentthen a new cryogenic cell that we developed to monitor the grain to grain evolution of asnow sample by time-lapse tomography during the metamorphism, and which operates atroom temperature.L’objectif général de la thèse est de contribuer à l’amélioration de nos connaissances sur les métamorphoses de la neige sèche et sur sa description physique, à l’échelle microscopique (grains de glace et pores) et macroscopique (couche de neige). Dans un premier temps,la méthode d’homogénéisation basée sur les développements asymptotiques à échelles multiples est appliquée à la physique des métamorphoses de la neige sèche. On présente ainsi les descriptions macroscopiques équivalentes du transport de vapeur et de chaleur dérivées à partir de la description de la physique à micro-échelle. On considère à l’échelle des grains la diffusion, la conduction, et la convection forcée, couplées aux changements de phase (sublimation et déposition). Dans un second temps, les propriétés effectives de transport impliquées dans les descriptions macroscopiques (conductivité thermique effective, coefficient effectif de diffusion de vapeur et perméabilité intrinsèque) sont estimées à l’aide d’images 3D de neige couvrant toute la gamme de masse volumique et de types de neige. Enfin, on s’intéresse au suivi temporel des métamorphoses. Les liens entre la microstructure et les propriétés effectives d’une couche de neige sont mis en évidence au cours d’une métamorphose de gradient de température en utilisant des images 3D.On présente ensuite une cellule cryogénique que nous avons mise au point pour le suivi grains à grains par tomographie des évolutions d’un échantillon de neige au cours des métamorphoses, et qui s’utilise à température ambiante

Analyse de la relation entre l’exposition aux rayonnements ionisants lors d’examens de scanographie et la survenue de pathologie tumorale, au sein de la cohorte « Enfant Scanner »

Computed tomography (CT) is a powerful imaging technique that provides great benefits for diagnosis and medical management of patients. Nonetheless, the widespread use of this procedure raises many concerns about the potential adverse effects induced by X-rays exposure, both in clinical practice and in terms of public health. First epidemiological studies have suggested an increased risk of cancer associated with CT scan exposures in childhood or adolescence. The interpretation of these results is, however, controversial, and evidence about radiation-induced risks of cancer is still limited at this level of exposure and during childhood.In France, the "Enfant Scanner" cohort was set up by IRSN to study the incidence of cancer among more than 100,000 children who received CT scans before the age of 10 in 21 university hospitals. This study is part of the European Epi-CT project – coordinated by the International Agency for Research on Cancer – which includes nine national cohorts set up on the basis of a common protocol. The current thesis, based on the French cohort, focuses on characterizing the exposure of children receiving diagnostic CT scans and quantifying the risk of cancer associated with these exposures.Dosimetric assessment was performed from the radiological protocols used in paediatrics between 2000 and 2011 in the participating hospitals. This study presents the evolution of the exposures during the period and the variability of practices in the radiology departments. The results show that there is a leeway for optimizing the procedures and limiting the exposure of patients, especially for scans of the head that account for most of the examinations in paediatrics.From these exposure measurements, a quantitative assessment of cancer risk potentially induced by CT scans in paediatrics was performed – on the basis of estimates of risk in other contexts of ionizing radiation exposure. The results show that each CT scan could be associated with an excess risk of tumours of the central nervous system, breast cancer, thyroid cancer or leukaemia ranging from 0.01‰ to 5‰. Cancer risks may be up to 7 times higher for patients aged 1 year compared to 10 year olds. Uncertainties attached to these risk predictions were quantified by simulations.From the follow-up of cancer incidence in the cohort, the dose-response relation was studied between the risk of tumors of the central nervous system, leukaemia and lymphoma, and cumulative X-ray doses to the organs of interest from CT scans. No significant increased risk was observed. Indeed, in 2011, the duration of the follow-up, i.e. 4 years on average, was very short. The analyzes have nevertheless characterized the impact of (acquired or hereditary) immunodeficiencies and other genetic factors predisposing to cancer on the risk estimates, and highlighted the importance of considering the indication of examinations in studies on CT scans.The follow-up of the cohort should be extended to provide more robust risk estimates. Extension of this study as well as expected results from other cohorts, particularly within the Epi-CT project, would provide, in the next 5 years, significant progresses on the issue of the potential adverse effects of CT. To date, risk predictions from quantitative risk assessment are still uncertain, especially for cerebral tumours, but should help to guide the use of CT. In addition, efforts for optimizing the radiological procedures are still needed to reduce the doses delivered in paediatrics and the potential associated risks.La scanographie est une technique d’imagerie médicale performante offrant des bénéfices considérables pour le diagnostic et le suivi médical des patients. Néanmoins, la question des effets adverses potentiels induits par l’exposition aux rayons-X se pose, tant au niveau individuel qu’en termes de santé publique du fait de la fréquence du recours à cette procédure. Des premières études épidémiologiques suggèrent une augmentation du risque de cancer associée à l’exposition à la scanographie durant l’enfance ou l’adolescence. Néanmoins, l’interprétation de ces résultats reste controversée et les connaissances sur le risque de cancer radio-induit à ce niveau d’exposition et pendant l’enfance demeurent limitées.En France, la cohorte « Enfant Scanner » est mise en place par l’IRSN pour étudier l’incidence de cancer dans une population de près de 110 000 enfants ayant reçu des examens par scanographie avant l’âge de 10 ans dans 21 centres hospitaliers universitaires. Cette étude participe au projet européen Epi-CT, coordonné par le Centre International de Recherche sur le Cancer, intégrant neuf cohortes nationales sur la base d’un protocole commun. A partir de la cohorte française, cette thèse s’intéresse à caractériser les expositions des enfants recevant des examens diagnostiques par scanographie et à fournir des éléments de quantification du risque de cancer associé.Une évaluation dosimétrique est réalisée à partir des protocoles radiologiques utilisés en pédiatrie entre 2000 et 2011 dans les services hospitaliers participant. Cette étude présente l’évolution des expositions au cours de la période ainsi que la variabilité des pratiques dans les services. Les résultats montrent l’existence d’une marge d’optimisation des protocoles utilisés pour limiter l’exposition des patients, en particulier pour des explorations de la tête qui sont les examens les plus fréquents en pédiatrie.Une évaluation du risque de cancer potentiellement induit par des actes de scanographie pédiatrique a été réalisée, sur la base d’estimations de risque obtenues pour d’autres contextes d’exposition aux rayonnements ionisants. Les résultats montrent que chaque examen pourrait être associé à un excès de risque de tumeur du système nerveux central (SNC), de cancer du sein, de la thyroïde ou de leucémies compris entre 0,01‰ et 5‰. Le risque de cancer serait jusqu’à 7 fois supérieur pour des patients âgés de 1 an par rapport à des enfants de 10 ans. Les incertitudes attachées à ces prédictions de risque ont été quantifiées par simulations.A partir du suivi d’incidence de la cohorte, la relation dose-réponse a été étudiée entre le risque de tumeurs du SNC, de leucémies et de lymphome, et les doses cumulées aux organes d’intérêt reçues lors d’examens par scanographie. Aucune augmentation significative de risque n’a été mise en évidence. En 2011, le suivi dans la cohorte – 4 ans en moyenne– était en effet très court. Les analyses ont néanmoins caractérisé l’impact de syndromes d’immunodéficiences et d’autres facteurs génétiques de prédisposition au cancer sur les estimations de risque, et mis en évidence l’importance de prendre en compte l’indication des examens dans ce type d’étude.Le suivi de la cohorte doit être poursuivi afin de fournir des estimations de risque plus robustes. L’extension de la durée de suivi de cette population ainsi que les résultats attendus à partir d’autres études, notamment dans le cadre du projet Epi-CT, devraient constituer, dans les 5 prochaines années, une avancée tout à fait significative sur la question des risques associés à la scanographie. A ce jour, les prédictions réalisées dans le cadre d’évaluations de risque demeurent incertaines, en particulier pour les tumeurs du SNC, mais constituent une aide pour orienter le recours à la scanographie. Des efforts d’optimisation des procédures radiologiques demeurent, par ailleurs, encore nécessaires pour réduire les doses délivrées en pédiatrie ainsi que les risques possiblement associé

Agnes Korn, Andrej Malchukov (eds.). Ditransitive constructions in a cross-linguistic perspective

Cet ouvrage regroupe des articles de différents auteurs issus d’une sélection d’exposés et de posters présentés lors l’atelier “Ditransitive constructions in a cross-linguistic perspective” du colloque Syntax of the World’s Languages VI (2014). Il contribue à la documentation des constructions ditransitives dans des langues rares ou peu décrites, tout en relevant des problèmes typologiques majeurs concernant ces constructions. La majorité des articles de cet ouvrage utilise le terme ‘construc..