Analyse et modélisation d’étoiles naines blanches de type DB dans le Sloan Digital Sky Survey et le relevé Gaia

Abstract

L’étude des naines blanches repose principalement sur la détermination de leurs paramètres atmosphériques et physiques, tels que la température effective, la gravité de surface, la composition chimique de l’atmosphère, la masse, l’âge et la luminosité. Grâce aux grands relevés, le Sloan Digital Sky Survey (SDSS) et Gaia en particulier, qui ont rendu accessibles des données photométriques, spectroscopiques ainsi que la parallaxe trigonométrique pour des milliers de naines blanches, il est maintenant possible de déterminer ces quantités pour un très grand nombre de naines blanches. Une analyse comparative des paramètres atmosphériques des naines blanches DA et DB dans le SDSS et Gaia est présentée dans cette thèse. Cette analyse permet d’identifier certaines lacunes au niveau des modèles d’atmosphère, notamment les profils d’élargissement Stark dans les modèles d’atmosphère riches en hydrogène ainsi que les profils d’élargissement van der Waals dans ceux riches en hélium qui ne semblent pas tout à fait satisfaisants. Cette analyse permet aussi de révéler la présence de plusieurs systèmes binaires non-résolus de types DA+DA, DA+DC, DA+DB ainsi que DB+DB.

Comme les techniques photométrique et spectroscopique ne permettent pas de déterminer tous les paramètres directement, il faut faire appel à la relation masse-rayon pour obtenir les autres quantités d'intérêt. Les parallaxes trigonométriques du relevé Gaia permettent de mettre à l’épreuve cette relation et de conclure à sa validité.

Les naines blanches de type DB sont moins bien comprises du fait de leur rareté, donc une attention particulière leur est accordée. L’analyse des distributions de gravité de surface, de masse et d’abondance d’hydrogène révèle la présence de plusieurs objets d’intérêt, tels que des DB massives ou magnétiques. En particulier, la distribution des abondances d’hydrogène montre des naines blanches ayant des quantités bien différentes de cet élément dans leur atmosphère, ce qui suggère qu’elles ont suivi des canaux évolutifs différents.

La fraction de naines blanches de type DB en fonction de la température reste relativement constante entre 40,000 K et 25,000 K, puis augmente graduellement jusqu’à atteindre son maximum à 15,000 K. Cette fluctuation est cohérente avec les deux canaux évolutifs et le scénario de dilution convective, c'est-à-dire que certaines DB ont conservé leur atmosphère riche en hélium durant toute leur évolution tandis que d’autres sont d’anciennes DA qui se sont transformées lorsque la mince couche superficielle d’hydrogène est diluée dans la couche convective d’hélium située en dessous.

L’origine de l’hydrogène atmosphérique est cependant toujours sujette à débat. La plupart des DBA montrent des abondances beaucoup trop élevées pour pouvoir être expliquées par une origine résiduelle. Ces abondances élevées ne cadrent pas non plus dans le scénario de dilution convective, mettant un doute sur l’origine résiduelle. Une solution possible à ce dilemme serait qu’une couche d’hydrogène flotte à la surface de la naine blanche, donnant ainsi l’illusion d’une plus grande abondance. Cette hypothèse est testée à l’aide de nouveaux modèles chimiquement stratifiés.

The study of white dwarf stars relies heavily on the determination of their atmospheric and physical parameters, such as effective temperature, surface gravity, chemical composition, mass, age and luminosity. Thanks to surveys like the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) or Gaia, photometric and spectroscopic data, as well as trigonometric parallaxes were made publicly available for a large number of white dwarfs, making it possible to determine the parameters listed above for very large samples. A comparative analysis of the atmospheric parameters of type DA and type DB white dwarfs from the SDSS and Gaia is presented in this thesis. This analysis reveals that the Stark broadening profiles in pure hydrogen model atmospheres as well as the van der Waals broadening treatment in helium-rich atmospheres need to be revisited. The comparison of photometric and spectroscopic effective temperatures and masses unveils the presence of DA+DA, DA+DC, DA+DB, as well as DB+DB unresolved double degenerate systems.

The photometric and spectroscopic techniques can only determine a few parameters directly. To obtain the other quantities of interest, one must rely on evolutionary models and the mass-radius relation. The exquisite Gaia trigonometric parallaxes offer the opportunity to put this relation to the test for a large number of white dwarfs. It is found that the theoretical mass-radius relation is valid.

The DB white dwarfs are less well understood than their hydrogen-rich counterpart since they are rarer. Therefore, a thorough analysis of the DB white dwarf population is presented. The analysis of the surface gravities and mass distribution reveals the presence of several objects of particular interest, massive or magnetic DB stars for example. The hydrogen abundance distribution also reveals that white dwarfs have very different quantities of that element in their atmosphere, in the same temperature range, suggesting that they must have followed different evolutionary channels.

The fraction of DB stars remains somewhat constant between 40,000 K and 25,000 K and steadily increases below this temperature, reaching its peak value around 15,000 K. This is in line with the two evolutionary channels and the convective dilution scenario, where some DA transform into DB stars when the thin hydrogen layer at the surface is mixed in the underlying helium convection zone, while some DB stars retain their helium-rich atmosphere throughout their evolution.

The origin of this photospheric hydrogen, however, is still up for debate. Most DBA white dwarfs have hydrogen abundances way too high to have a residual origin resulting from the convective dilution scenario. One possible solution to this dilemma is that a small residual hydrogen layer still floats on the surface, thus giving the illusion of a higher hydrogen content. This hypothesis is tested with new chemically stratified model atmospheres.