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.

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.

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.

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%.

Vers la détermination de la composition du coeur des étoiles naines blanches

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude des propriétés atmosphériques et magnétiques des étoiles naines blanches froides riches en hydrogène.

Ce mémoire présente une analyse photométrique et spectroscopique d'un échantillon de 16 naines blanches magnétiques froides riches en hydrogène. L'objectif principal de cette étude est de caractériser leurs propriétés atmosphériques et magnétiques afin d'obtenir une vision d'ensemble représentative de cette population d'étoiles. Pour ce faire, il a fallu réunir le plus d'information possible sur toutes les candidates sous la forme de spectres visibles à haut signal-sur-bruit et de données photométriques. Il a également été nécessaire de mettre à jour les modèles d'atmosphère de Bergeron et al. (1992) à l'aide des avancées réalisées par Tremblay & Bergeron (2009). Les paramètres atmosphériques de chacune des étoiles ont ensuite été déterminés en modélisant les distributions d'énergie photométriques observées tandis que la topologie et l'intensité du champ magnétique ont été obtenues en comparant des spectres synthétiques magnétiques au profil d'absorption Zeeman autour de H-alpha. Qui plus est, un processus de déconvolution combinant ces deux approches a aussi été créé afin de traiter adéquatement les systèmes binaires présents dans l'échantillon. Les résultats de ces analyses sont ensuite exposés, incluant une discussion sur la possible corrélation entre les paramètres atmosphériques et les propriétés magnétiques de ces naines blanches. Finalement, cette étude démontre que les données spectroscopiques de la majorité de ces étoiles peuvent uniquement être reproduites si ces dernières se trouvent dans un système binaire composé d'une seconde naine blanche. De plus, les résultats suggèrent que le champ magnétique de ces naines blanches froides ne peut pas être d'origine fossile et doit être généré par un mécanisme physique devant encore être identifié.

Étude comparative des paramètres atmosphériques d'étoiles naines blanches déterminés par les techniques photométrique et spectroscopique

Ce mémoire présente une analyse comparative des paramètres atmosphériques obtenus à l’aide des techniques photométrique et spectroscopique. Pour y parvenir, les données photométriques et spectroscopiques de 1375 naines blanches de type DA tirées du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ainsi que les données spectroscopiques du Villanova White Dwarf Catalog ont été utilisées. Il a d’abord fallu s’assurer que les données photométriques et spectroscopiques étaient bien calibrées. L’analyse photométrique a démontré que la photométrie ugriz ne semblait pas avoir de problème de calibration autre que le décalage des points zéro, qui est compensé en appliquant les corrections photométriques appropriées. De plus, le fait que le filtre u laisse passer le flux à certaines longueurs d’onde dans le rouge ne semble pas affecter la détermination des paramètres atmosphériques. L’analyse spectroscopique a ensuite confirmé que l’application de fonctions de correction permettant de tenir compte des effets hydrodynamiques 3D est la solution au problème de log g élevés. La comparaison des informations tirées des données spectroscopiques des deux différentes sources suggère que la calibration des spectres du SDSS n’est toujours pas au point. Les paramètres atmosphériques déterminés à l’aide des deux techniques ont ensuite été comparés et les températures photométriques sont systématiquement plus faibles que celles obtenues à partir des données spectroscopiques. Cet effet systématique pourrait être causé par les profils de raies utilisés dans les modèles d’atmosphère. Une méthode permettant d’obtenir une estimation de la gravité de surface d’une naine blanche à partir de sa photométrie a aussi été développée.

Relevé spectroscopique et étude des propriétés physiques des étoiles naines blanches à moins de 40 parsecs du Soleil

Les étoiles naines blanches représentent la fin de l’évolution de 97% des étoiles de notre galaxie, dont notre Soleil. L’étude des propriétés globales de ces étoiles (distribution en température, distribution de masse, fonction de luminosité, etc.) requiert l’élaboration d’ensembles statistiquement complets et bien définis. Bien que plusieurs relevés d’étoiles naines blanches existent dans la littérature, la plupart de ceux-ci souffrent de biais statistiques importants pour ce genre d’analyse. L’échantillon le plus représentatif de la population d’étoiles naines blanches demeure à ce jour celui défini dans un volume complet, restreint à l’environnement immédiat du Soleil, soit à une distance de 20 pc (∼ 65 années-lumière) de celui-ci. Malheureusement, comme les naines blanches sont des étoiles intrinsèquement peu lumineuses, cet échantillon ne contient que ∼ 130 objets, compromettant ainsi toute étude statistique significative. Le but de notre étude est de recenser la population d’étoiles naines blanches dans le voisinage solaire a une distance de 40 pc, soit un volume huit fois plus grand. Nous avons ainsi entrepris de répertorier toutes les étoiles naines blanches à moins de 40 pc du Soleil à partir de SUPERBLINK, un vaste catalogue contenant le mouvement propre et les données photométriques de plus de 2 millions d’étoiles. Notre approche est basée sur la méthode des mouvements propres réduits qui permet d’isoler les étoiles naines blanches des autres populations stellaires. Les distances de toutes les candidates naines blanches sont estimées à l’aide de relations couleur-magnitude théoriques afin d’identifier les objets se situant à moins de 40 pc du Soleil, dans l’hémisphère nord. La confirmation spectroscopique du statut de naine blanche de nos ∼ 1100 candidates a ensuite requis 15 missions d’observations astronomiques sur trois grands télescopes à Kitt Peak en Arizona, ainsi qu’une soixantaine d’heures allouées sur les télescopes de 8 m des observatoires Gemini Nord et Sud. Nous avons ainsi découvert 322 nouvelles étoiles naines blanches de plusieurs types spectraux différents, dont 173 sont à moins de 40 pc, soit une augmentation de 40% du nombre de naines blanches connues à l’intérieur de ce volume. Parmi ces nouvelles naines blanches, 4 se trouvent probablement à moins de 20 pc du Soleil. De plus, nous démontrons que notre technique est très efficace pour identifier les étoiles naines blanches dans la région peuplée du plan de la Galaxie. Nous présentons ensuite une analyse spectroscopique et photométrique détaillée de notre échantillon à l’aide de modèles d’atmosphère afin de déterminer les propriétés physiques de ces étoiles, notamment la température, la gravité de surface et la composition chimique. Notre analyse statistique de ces propriétés, basée sur un échantillon presque trois fois plus grand que celui à 20 pc, révèle que nous avons identifié avec succès les étoiles les plus massives, et donc les moins lumineuses, de cette population qui sont souvent absentes de la plupart des relevés publiés. Nous avons également identifié plusieurs naines blanches très froides, et donc potentiellement très vieilles, qui nous permettent de mieux définir le côté froid de la fonction de luminosité, et éventuellement l’âge du disque de la Galaxie. Finalement, nous avons aussi découvert plusieurs objets d’intérêt astrophysique, dont deux nouvelles étoiles naines blanches variables de type ZZ Ceti, plusieurs naines blanches magnétiques, ainsi que de nombreux systèmes binaires non résolus.

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.

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 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.

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.