Gaia photometry for white dwarfs

Context. White dwarfs can be used to study the structure and evolution of the Galaxy by analysing their luminosity function and initial mass function. Among them, the very cool white dwarfs provide the information for the early ages of each population. Because white dwarfs are intrinsically faint only the nearby (~ 20 pc) sample is reasonably complete. The Gaia space mission will drastically increase the sample of known white dwarfs through its 5-6 years survey of the whole sky up to magnitude V = 20-25. Aims. We provide a characterisation of Gaia photometry for white dwarfs to better prepare for the analysis of the scientific output of the mission. Transformations between some of the most common photometric systems and Gaia passbands are derived. We also give estimates of the number of white dwarfs of the different galactic populations that will be observed. Methods. Using synthetic spectral energy distributions and the most recent Gaia transmission curves, we computed colours of three different types of white dwarfs (pure hydrogen, pure helium, and mixed composition with H/He = 0.1). With these colours we derived transformations to other common photometric systems (Johnson-Cousins, Sloan Digital Sky Survey, and 2MASS). We also present numbers of white dwarfs predicted to be observed by Gaia. Results. We provide relationships and colourcolour diagrams among different photometric systems to allow the prediction and/or study of the Gaia white dwarf colours. We also include estimates of the number of sources expected in every galactic population and with a maximum parallax error. Gaia will increase the sample of known white dwarfs tenfold to about 200 000. Gaia will be able to observe thousands of very cool white dwarfs for the first time, which will greatly improve our understanding of these stars and early phases of star formation in our Galaxy.

Gaia photometry for white dwarfs

Context. White dwarfs can be used to study the structure and evolution of the Galaxy by analysing their luminosity function and initial mass function. Among them, the very cool white dwarfs provide the information for the early ages of each population. Because white dwarfs are intrinsically faint only the nearby (~ 20 pc) sample is reasonably complete. The Gaia space mission will drastically increase the sample of known white dwarfs through its 5-6 years survey of the whole sky up to magnitude V = 20-25. Aims. We provide a characterisation of Gaia photometry for white dwarfs to better prepare for the analysis of the scientific output of the mission. Transformations between some of the most common photometric systems and Gaia passbands are derived. We also give estimates of the number of white dwarfs of the different galactic populations that will be observed. Methods. Using synthetic spectral energy distributions and the most recent Gaia transmission curves, we computed colours of three different types of white dwarfs (pure hydrogen, pure helium, and mixed composition with H/He = 0.1). With these colours we derived transformations to other common photometric systems (Johnson-Cousins, Sloan Digital Sky Survey, and 2MASS). We also present numbers of white dwarfs predicted to be observed by Gaia. Results. We provide relationships and colour-colour diagrams among different photometric systems to allow the prediction and/or study of the Gaia white dwarf colours. We also include estimates of the number of sources expected in every galactic population and with a maximum parallax error. Gaia will increase the sample of known white dwarfs tenfold to about 200 000. Gaia will be able to observe thousands of very cool white dwarfs for the first time, which will greatly improve our understanding of these stars and early phases of star formation in our Galaxy.

Circular Spectropolarimetric Studies of DQ White Dwarfs

This thesis summarizes studies of a class of white dwarfs (WDs) called DQ WDs. White dwarfs are the remnants of ordinary stars like our Sun that have run out of nuclear fuel. WDs are classified according to the composition of their atmosphere and DQ WDs have an atmosphere made of helium and carbon. The carbon comes in either atomic or molecular form and in some cases the strong spectral absorption features cover the entire optical wavelength region. The research presented here utilizes spectropolarimetry, which is an observational technique that combines spectroscopy and polarization. Separately these allow to study the composition of a target and the inhomogeneous distribution of matter in the target. Put together they form a powerful tool to probe the physical properties in the atmosphere of a star. It is espacially good for detecting magnetic fields. The papers in this thesis describe efforts to do a survey of DQ white dwarfs with spectropolarimetry in order to search for magnetic fields in them. Paper I describes the discovery of a new magnetic cool DQ white dwarf, GJ841B. Initial modeling of molecular features on DQ WDs showed inconsistencies with observations. The first possible solution to this problem was stellar spots on these WDs. To investigate the matter, two DQ WDs were monitored for photometric variability that could arise from the presence of such spots. Paper II summarizes this short campaign and reports the negative results. Paper III reports observations of the rest of the objects in our survey. The paper includes the discovery of polarization from another cool DQ white dwarf, bringing the total of known magnetic cool DQs to three. Unfortunately the model used in this thesis cannot, in its present state, be used to model these objects nor are the observations of high enough spectroscopic resolution to do so.

Type Ia supernovae from violent mergers of carbon-oxygen white dwarfs: polarization signatures

The violent merger of two carbon-oxygen white dwarfs has been proposed as a viable progenitor for some Type Ia supernovae. However, it has been argued that the strong ejecta asymmetries produced by this model might be inconsistent with the low degree of polarization typically observed in Type Ia supernova explosions. Here, we test this claim by carrying out a spectropolarimetric analysis for the model proposed by Pakmor et al. for an explosion triggered during the merger of a 1.1 and 0.9 M⊙ carbon-oxygen white dwarf binary system. Owing to the asymmetries of the ejecta, the polarization signal varies significantly with viewing angle. We find that polarization levels for observers in the equatorial plane are modest (≲1 per cent) and show clear evidence for a dominant axis, as a consequence of the ejecta symmetry about the orbital plane. In contrast, orientations out of the plane are associated with higher degrees of polarization and departures from a dominant axis. While the particular model studied here gives a good match to highly polarized events such as SN 2004dt, it has difficulties in reproducing the low polarization levels commonly observed in normal Type Ia supernovae. Specifically, we find that significant asymmetries in the element distribution result in a wealth of strong polarization features that are not observed in the majority of currently available spectropolarimetric data of Type Ia supernovae. Future studies will map out the parameter space of the merger scenario to investigate if alternative models can provide better agreement with observations.

Calcium-rich gap transients: Tidal detonations of white dwarfs?

We hypothesize that at least some of the recently discovered class of calcium-rich gap transients are tidal detonation events of white dwarfs (WDs) by black holes (BHs) or possibly neutron stars. We show that the properties of the calcium-rich gap transients agree well with the predictions of the tidal detonation model. Under the predictions of this model, we use a follow-up X-ray observation of one of these transients, SN 2012hn, to place weak upper limits on the detonator mass of this system that include all intermediate-mass BHs (IMBHs). As these transients are preferentially in the stellar haloes of galaxies, we discuss the possibility that these transients are tidal detonations of WDs caused by random flyby encounters with IMBHs in dwarf galaxies or globular clusters. This possibility has been already suggested in the literature but without connection to the calcium-rich gap transients. In order for the random flyby cross-section to be high enough, these events would have to be occurring inside these dense stellar associations. However, there is a lack of evidence for IMBHs in these systems, and recent observations have ruled out all but the very faintest dwarf galaxies and globular clusters for a few of these transients. Another possibility is that these are tidal detonations caused by three-body interactions, where a WD is perturbed towards the detonator in isolated multiple star systems. We highlight a number of ways this could occur, even in lower mass systems with stellar-mass BHs or neutron stars. Finally, we outline several new observational tests of this scenario, which are feasible with current instrumentation.

Reducing the parameter space for unparticle-inspired models using white dwarf masses

Based on astrophysical constraints derived from Chandrasekhar's mass limit for white dwarfs, we study the effects of the model on the parameters of unparticle-inspired gravity, on scales Lambda(U) > 1 TeV and d(U) approximate to 1.

Characterization of the Galactic White Dwarf Population in the Next Generation Virgo Cluster Survey

Halo white dwarfs remain one of the least studied stellar populations in the Milky Way because of their faint luminosities. Recent work has uncovered a population of hot white dwarfs which are thought to be remnants of low-mass Population II stars. This thesis uses optical data from the Next Generation Virgo Cluster Survey (NGVS) and ultravoilet data from the GALEX Ultraviolet Virgo Cluster Survey (GUViCS) to select candidates which may belong to this population of recently formed halo white dwarfs. A colour selection was used to separate white dwarfs from QSOs and main-sequence stars. Photometric distances are calculated using model colour-absolute magnitude relations. Proper motions are calculated by using the difference in positions between objects from the Sloan Digital Sky Survey and the NGVS. The proper motions are combined with the calculated photometric distances to calculate tangential velocities, as well as approximate Galactic space velocities. White dwarf candidates are characterized as belonging to either the disk or the halo using a variety of methods, including calculated scale heights (z> 1 kpc), tangential velocities (vt >200 km/s), and their location in (V,U) space. The 20 halo white dwarf candidates which were selected using Galactic space velocities are analyzed, and their colours and temperatures suggest that these objects represent some of the youngest white dwarfs in the Galactic halo.

The type Iax supernova, SN 2015H: A white dwarf deflagration candidate

We present results based on observations of SN 2015H which belongs to the small group of objects similar to SN 2002cx, otherwise known as type Iax supernovae. The availability of deep pre-explosion imaging allowed us to place tight constraints on the explosion epoch. Our observational campaign began approximately one day post-explosion, and extended over a period of about 150 days post maximum light, making it one of the best observed objects of this class to date. We find a peak magnitude of M_r = -17.27± 0.07, and a (Δm₁₅)_r = 0.69 ± 0.04. Comparing our observations to synthetic spectra generated from simulations of deflagrations of Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs, we find reasonable agreement with models of weak deflagrations that result in the ejection of ∼0.2 M_⊙ of material containing ∼0.07 M_⊙ of ⁵⁶Ni. The model light curve however, evolves more rapidly than observations, suggesting that a higher ejecta mass is to be favoured. Nevertheless, empirical modelling of the pseudo-bolometric light curve suggests that ≲ 0.6 M_⊙ of material was ejected, implying that the white dwarf is not completely disrupted, and that a bound remnant is a likely outcome.

Exploring the white dwarf cooling sequence in Globular Clusters

White dwarfs (WDs) are electron-degenerate structures that are commonly assumed to evolve via a pure cooling process, with no stable thermonuclear activity at work. Their cooling rate is adopted as a cosmic chronometer to constrain the age of several Galactic populations, including the disk, Globular Clusters (GCs) and open clusters. This thesis work is aimed at the study of the WD populations in globular clusters and is articulated in two branches. The first was focused on the study of the bright portion of the WD cooling sequence. By analyzing high resolution UV data acquired with the Hubble Space Telescope (HST), we compared the WD luminosity functions (LFs) in four Galactic GCs (namely M13, M3, NGC6752, and M5) finding an unexpected over-abundance of WDs in M13 and NGC6752 with respect to M3 and M5. Theoretical models suggest that, consistently with the blue-tail horizontal branch (HB) morphology of M13 and NGC6752, this overabundance is due to a population of slowly cooling WDs, i.e., WDs fading more slowly than in a pure cooling process thanks to an extra-energy source provided by stable thermonuclear burning in their residual hydrogen-rich envelope. This is the first empirical evidence of WDs fading at a slower rate than usually assumed, and has a crucial impact on the use of the cooling sequence as a cosmic chronometer. The second branch was focused on the search for the companion star to binary millisecond Pulsars (MSP) in the globular clusters M13 and NGC 6652: the identified companions turned out to be helium-core WDs, and provided a invaluable constraints on the mass of the neutron star and the epoch of the MSP formation.

Age distribution of the central stars of galactic disk planetary nebulae

Context. Determination of the ages of central stars of planetary nebulae (CSPN) is a complex problem, and there is presently no single method that can be generally applied. We have developed several methods of estimating the ages of CSPN, based on both the observed nebular properties and some properties of the stars themselves. Aims. Our aim is to estimate the ages and the age distribution of CSPN and to compare the derived results with mass and age determinations of CSPN and white dwarfs based on empirical determinations of these quantities. Methods. We considered a sample of planetary nebulae in the galactic disk, most of which (similar to 69%) are located in the solar neighbourhood, within 3 kpc from the Sun. We discuss several methods of deriving the age distribution of CSPN, namely; (i) the use of an age-metallicity relation that also depends on the galactocentric distance; (ii) the use of an age-metallicity relation obtained for the galactic disk; and (iii) the determination of ages from the central star masses obtained from the observed nitrogen abundances. Results. We estimated the age distribution of CSPN with average uncertainties of 1-2 Gyr, and compared our results with the expected distribution based both on the observed mass distribution of white dwarfs and on the age distribution derived from available mass distributions of CSPN. Based on our derived age distributions, we conclude that most CSPN in the galactic disk have ages under 6 Gyr, and that the age distribution is peaked around 2-4 Gyr.

The Edinburgh-Cape Blue Object Survey - I. Description of the survey

The Edinburgh-Cape Blue Object Survey is a major survey to discover blue stellar objects brighter than B similar to 18 in the southern sky. It is planned to cover an area of sky of 10 000 deg(2) with \b\ > 30 degrees and delta < 0 degrees. The blue stellar objects are selected by automatic techniques from U and B pairs of UK Schmidt Telescope plates scanned with the COSMOS measuring machine. Follow-up photometry and spectroscopy are being obtained with the SAAO telescopes to classify objects brighter than B = 16.5. This paper describes the survey, the techniques used to extract the blue stellar objects, the photometric methods and accuracy, the spectroscopic classification, and the limits and completeness of the survey.

Étude spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hélium de type DB et DBA

De nouveaux modèles d'atmosphère sont présentés, incluant les profils de raie d'hélium neutre améliorés de Beauchamp (1995) et le formalisme de probabilité d'occupation pour ce même atome. Ces modèles sont utilisés pour calculer une grille de spectres synthétiques correspondant à des atmosphères riches en hélium et contenant des traces d'hydrogène. Cette grille est utilisée pour déterminer les paramètres atmosphériques principaux des étoiles de notre échantillon, soient la température effective, la gravité de surface et l'abondance d'hydrogène. Notre échantillon contient des spectres visibles de haut rapport signal-sur-bruit pour 102 naines blanches riches en hélium, dont 29 ont été observés au cours de ce projet, ce qui en fait le plus grand échantillon de spectres de qualité de naines blanches riches en hélium. Des spectres synthétiques ont été calculés en utilisant différentes valeurs du paramètre α de la théorie de la longueur de mélange dans le but de calibrer empiriquement la valeur de ce paramètre pour les DB. Afin d'améliorer la précision sur les paramètres atmosphériques de quelques étoiles, nous avons utilisé des spectres couvrant la raie Hα pour mieux déterminer l'abondance d'hydrogène. Finalement, nous avons calculé la distribution de masse de notre échantillon et la fonction de luminosité des DB. La distribution de masse montre une coupure à 0.5 fois la masse solaire qui est prédite par les modèles d'évolution stellaire et dévoile une masse moyenne significativement plus élevée pour les étoiles de type DBA. La masse moyenne de l'ensemble des DB et DBA est très proche de celle des DA. La fonction de luminosité nous permet de calculer que le rapport du nombre de DB sur le nombre de DA vaut environ 25%.

Analyse des paramètres atmosphériques des étoiles naines blanches dans le voisinage solaire

Ce mémoire présente une analyse homogène et rigoureuse de l’échantillon d’étoiles naines blanches situées à moins de 20 pc du Soleil. L’objectif principal de cette étude est d’obtenir un modèle statistiquement viable de l’échantillon le plus représentatif de la population des naines blanches. À partir de l’échantillon défini par Holberg et al. (2008), il a fallu dans un premier temps réunir le plus d’information possible sur toutes les candidates locales sous la forme de spectres visibles et de données photométriques. En utilisant les modèles d’atmosphère de naines blanches les plus récents de Tremblay & Bergeron (2009), ainsi que différentes techniques d’analyse, il a été permis d’obtenir, de façon homogène, les paramètres atmosphériques (Teff et log g) des naines blanches de cet échantillon. La technique spectroscopique, c.-à-d. la mesure de Teff et log g par l’ajustement des raies spectrales, fut appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon pour lesquelles un spectre visible présentant des raies assez fortes était disponible. Pour les étoiles avec des données photométriques, la distribution d’énergie combinée à la parallaxe trigonométrique, lorsque mesurée, permettent de déterminer les paramètres atmosphériques ainsi que la composition chimique de l’étoile. Un catalogue révisé des naines blanches dans le voisinage solaire est présenté qui inclut tous les paramètres atmosphériques nouvellement determinés. L’analyse globale qui en découle est ensuite exposée, incluant une étude de la distribution de la composition chimique des naines blanches locales, de la distribution de masse et de la fonction luminosité.

Analyse spectroscopique d'étoiles naines blanches riches en hydrogène(DA) : vers des modèles d'atmosphère améliorés sans paramètres libres

Le but de cette thèse est de raffiner et de mieux comprendre l'utilisation de la méthode spectroscopique, qui compare des spectres visibles de naines blanches à atmosphère riche en hydrogène (DA) à des spectres synthétiques pour en déterminer les paramètres atmosphériques (température effective et gravité de surface). Notre approche repose principalement sur le développement de modèles de spectres améliorés, qui proviennent eux-mêmes de modèles d'atmosphère de naines blanches de type DA. Nous présentons une nouvelle grille de spectres synthétiques de DA avec la première implémentation cohérente de la théorie du gaz non-idéal de Hummer & Mihalas et de la théorie unifiée de l'élargissement Stark de Vidal, Cooper & Smith. Cela permet un traitement adéquat du chevauchement des raies de la série de Balmer, sans la nécessité d'un paramètre libre. Nous montrons que ces spectres améliorés prédisent des gravités de surface qui sont plus stables en fonction de la température effective. Nous étudions ensuite le problème de longue date des gravités élevées pour les DA froides. L'hypothèse de Bergeron et al., selon laquelle les atmosphères sont contaminées par de l'hélium, est confrontée aux observations. À l'aide de spectres haute résolution récoltés au télescope Keck à Hawaii, nous trouvons des limites supérieures sur la quantité d'hélium dans les atmosphères de près de 10 fois moindres que celles requises par le scénario de Bergeron et al. La grille de spectres conçue dans ces travaux est ensuite appliquée à une nouvelle analyse spectroscopique de l'échantillon de DA du SDSS. Notre approche minutieuse permet de définir un échantillon plus propre et d'identifier un nombre important de naines blanches binaires. Nous déterminons qu'une coupure à un rapport signal-sur-bruit S/N > 15 optimise la grandeur et la qualité de l'échantillon pour calculer la masse moyenne, pour laquelle nous trouvons une valeur de 0.613 masse solaire. Finalement, huit nouveaux modèles 3D de naines blanches utilisant un traitement d'hydrodynamique radiative de la convection sont présentés. Nous avons également calculé des modèles avec la même physique, mais avec une traitement standard 1D de la convection avec la théorie de la longueur de mélange. Un analyse différentielle entre ces deux séries de modèles montre que les modèles 3D prédisent des gravités considérablement plus basses. Nous concluons que le problème des gravités élevées dans les naines blanches DA froides est fort probablement causé par une faiblesse dans la théorie de la longueur de mélange.

Relevé et analyse spectroscopiques d'étoiles naines blanches brillantes et riches en hydrogène

Nous présentons un relevé et une analyse spectroscopiques de plus de 1300 naines blanches brillantes (V < 17.5) et riches en hydrogène. Des spectres dans le domaine du visible avec un rapport signal-sur-bruit élevé ont été obtenus et les données ont ensuite été analysées avec notre méthode spectroscopique habituelle qui compare les profils observés des raies de Balmer à des spectres synthétiques calculés à partir de la dernière génération de modèles d’atmosphère. D’abord, nous présentons une analyse détaillée de 29 naines blanches de type DAO utilisant une nouvelle grille de modèles qui inclut du carbone, de l’azote et de l’oxygène aux abondances solaires. Nous démontrons que l’ajout de ces métaux dans les modèles d’atmosphère est essentiel pour surmonter le problème des raies de Balmer qui empêche un ajustement simultané de toutes les raies de Balmer avec des paramètres atmosphériques cohérents. Nous identifions également 18 naines blanches chaudes de type DA qui souffrent aussi du problème des raies de Balmer. Des spectres dans l’ultraviolet lointain obtenus des archives du satellite FUSE sont ensuite examinés pour démontrer qu’il existe une corrélation entre les abondances métalliques élevées et les cas du problème des raies de Balmer. Les conséquences de ces résultats pour toutes les naines blanches chaudes et riches en hydrogène sont discutées. En particulier, le scénario évolutif pour les naines blanches DAO est révisé et nous n’avons plus besoin d’évoquer l’évolution post-EHB pour expliquer la majorité des étoiles DAO. Finalement, nous élaborons un scénario dans lequel les métaux engendrent un faible vent stellaire qui expliquerait la présence d’hélium dans les étoiles DAO. Ensuite, nous présentons les résultats globaux de notre relevé, ce qui inclut une analyse spectroscopique de plus de 1200 naines blanches de type DA. En premier lieu, nous présentons le contenu spectroscopique de notre échantillon qui contient de nombreuses classifications erronées ainsi que plusieurs naines blanches de type DAB, DAZ et magnétiques. Nous discutons ensuite des nouveaux modèles d'atmosphère utilisés dans notre analyse. De plus, nous utilisons des modèles de naines M pour obtenir de meilleures valeurs des paramètres atmosphériques pour les naines blanches qui sont membres de systèmes binaires DA+dM. Certaines naines blanches uniques et quelques systèmes binaires double-dégénérées sont également analysés de manière plus détaillée. Nous examinons ensuite les propriétés globales de notre échantillon incluant la distribution de masse et la distribution de masse en fonction de la température. Nous étudions également la façon dont les nouveaux profils de raies de Balmer affectent la détermination des paramètres atmosphériques. Nous testons la précision et la robustesse de nos méthodes en comparant nos résultats avec ceux du projet SPY, dans le cadre duquel plus de 300 des mêmes naines blanches ont été analysées d'une manière complètement indépendante. Finalement, nous faisons un retour sur la bande d'instabilité des naines blanches pulsantes de type ZZ Ceti pour voir quels effets ont les nouveaux profils de raies sur la détermination de ses frontières empiriques.