White dwarf dynamical interactions

Abstract

Merging white dwarfs is a promising channel to trigger Type Ia supernovae, known as the double degenerate scenario. Supernovae are stellar explosions that radiate as much energy as any ordinary star is expected to emit over its entire life span, outshining briefly the whole hosting galaxy. They enrich the interstellar medium with higher mass elements and trigger the formation of new stars by the produced expanding shock. Additionally, Type Ia supernovae have been used as standard candles and have allowed the discovery that the universe was expanding at an accelerating rate. Despite the important role that Type Ia supernovae play in Astrophysics, we still do not know what stellar systems give rise to them. There are approximately a few hundred million double white dwarf systems in the Milky Way alone and their study would help to establish whether one can produce sufficient Type Ia explosions via this route. Nevertheless, even if a white dwarf merger does not succeed in exploding as a Type Ia supernova, other interesting phenomena might result. R Coronae Borealis, magnetars and high-field magnetic white dwarfs, or at least some of them, could be the product of some white dwarf mergers. In this thesis we study first two different scenarios which involve two interacting white dwarfs. They differ from the classical double degenerate scenario in the mechanism which makes both stars interact. First we consider the core degenerate scenario. In this case the merger of both white dwarfs is triggered by the interaction with a circumbinary disk. This disk is made up of the material that falls back after the ejection of the common envelope, at the final stages of the common envelope phase which precedes the formation of the white dwarf binary system. As the binary system transfers angular momentum to the circumbinary disk, the separation of the pair decreases and the eccentricity of the system increases while the core of the post-AGB star, the proto-white dwarf, is still hot. For massive enough disks the decrease of the orbital separation is enough to drive a merger before the disk is ejected. Then, the merger occurs in an eccentric orbit with a hot binary component, in contrast to the conditions found in the classical double degenerate scenario, which is driven by gravitational radiation. Otherwise, if the disk is not massive enough, the merger is driven by gravitational wave emission and the orbit is nearly circular, while the core of the AGB star is cold. Secondly, we studied different white dwarf close encounters. These interactions occur in dense and old stellar systems, as globular clusters and galactic nuclei, or in multiple stellar systems, where a white dwarf binary is perturbed by a third star. We perform several simulations of close encounters of white dwarfs with different masses and compositions, and obtain three different outcomes. Either an eccentric binary is formed, or a lateral or a direct collision occur. We compute when detonation conditions are met and when one or both white dwarfs are disrupted. Furthermore, we compute the observational signatures of these interactions. These include the emission of gravitational waves, X-ray luminosities, thermal neutrino emission and bolometric light curves. Finally, we analyze two possible outcomes of a white dwarf merger. We start studying the formation of a dynamo in the outer layers of the compact merger remnant. Then, we prove that the generated magnetic fields are confined in the outer layers of the remnant and can reach high magnitudes, showing that the remnants of some white dwarf binary mergers can explain some observed high-field magnetic white dwarfs. To conclude, we study if the anomalous X-ray pulsar 4U 0142+61 has observational characteristics which fit the properties of the white dwarf merger remnant composed of the high-field magnetic white dwarf surrounded by a rapidly rotating disk.

La coalescència de nanes blanques és un dels possibles escenaris que podrien originar una supernova del tipus Ia, i es conegut com l'escenari doble degenerat. Les supernoves són explosions estel·lars que irradien tanta energia com la que un estel ordinari emet durant tota la seva vida, eclipsant breumente tota la galàxia que habita. Aquestes explosions enriqueixen el mitjà interestel·lar amb elements pesants i afavoreixen la creació de nous estels en produir un xoc en expansió. A , les supernoves del tipus Ia han sigut utilitzades com a candeles estàndard, ajudant a descobrir que l'univers s'està expandint a un ritme accelerat. Malgrat la seva importància, seguim sense saber quins sistemes generen aquest tipus d'explosions. Hi ha aproximadament uns centenars de milions de sistemes binaris de nanes blanques a la Via Làctia, i el seu estudi ajudaria a establir si la seva coalescència pot produir el suficient nombre de supernovae tipus Ia. No obstant això, encara que la coalescència no produexi una explosió de aquest tipus, aquestes interaccions podríen donar lloc a d'altres fenòmens interessants, com ara els estels R Coronae Borealis, els magnetars i les nanes blanques amb camps magnétics elevats. En aquesta tesi estudiem primer dos escenaris diferents que involucren dues nanes blanques que interactuen. Aquests difereixen del clàssic escenari doble degenerat en el mecanisme que provoca la seva interacció. Primer considerem l'escenari anomenat "core degenerate". En aquest, la coalescència es produeix a causa de la interacció posterior a la fase d'embolcall comú del sistema binari. Aquest disc està compost pel material que torna a caure després de l'expulsió de l'embolcall comú que envolta el sistema, en les últimes etapes de la fase que precedeix a la formació del sistema de dues nanes blanques. Com que el sistema binari transfereix moment angular al disc, la separació entre els estels decreix i l'excentricitat de la seva òrbita augmenta, a més el nucli de l'estel post-AGB, la proto-nana blanca, está calent. Quan el disc és massiu, la coalescència del sistema abans de que el disc sigui expulsat. Aleshores, la coalescència es produeix en una òrbita excèntrica amb una component calent, al contrari que en l'escenari doble degenerat clàssic, el qual és desenvolupat degut a l¿emissió d¿ones gravitatòries. Si, pel contrari, el disc es poc massiu, la interacció es produeix per emissió d'ones gravitatòries i la órbita excèntrica i el nucli de l'estel post-AGB es fred. També hem estudiat encontres propers entre nanes blanques. Aquestes interaccions poden succeir en sistemes estel·lars vells i densos, com ara els cúmuls globulars o els nuclis galàctics, o en un sistema estel·lar múltiple, on el sistema binari de nanes blanques és pertorbat per un tercer estel. Hem realitzat vàries simulacions de trobades entre nanes blanques amb òrbites excèntriques i amb diferents masses i composicions, i obtenim tres resultats diferents. O bé es forma un sistema binari excèntric, o bé es produeix una col·lisió lateral o una directa. Els nostres càlculs especifiquen quan s¿arriba a condicions de detonació i quan aquestes resulten en la disrupció d'un o tots dos estels. També calculem l'emissió d'ones gravitatòries, la luminositat de raigs X, les emissions de neutrins tèrmics i les corbes de llum bolométriques. Finalment, analitzem dos possibles fenòmens que poden succeir després de la coalescència. Un d'ells es la formació d'una dinamo en les capes externes del romanent compacte. Demostrem que el camp magnètic generat es queda limitat en aquesta regió i pot assolir magnituds altes. Així, provem que les nanes blanques resultants d'una coalescència poden donar lloc a algunes de les nanes blanques altament magnètiques observades. Per finalitzar, estudiem si el púlsar de raigs X anòmal 4U 0142+61 té característiques que poden ser explicades a partir del romanent obtingut, format per la nana blanca magnètica envoltada per un disc