Population synthesis studies of the white dwarfs of the galactic disk and halo

Abstract

As the evolutionary end-point of most main-sequence stars, white dwarfs can be used to infer important properties concerning the formation and evolution of the different Galactic stellar populations. Population synthesis methods, when correlated with the excellent quality of modern white dwarf cooling tracks, can prove to be a powerful tool for further exploring the information offered by observed samples of white dwarfs. Possible applications may include estimating the age and history of stellar populations, measuring the local stellar formation rate and stellar density, constraining the local content of baryonic matter, examining intrinsic aspects of single and binary stellar evolution and exploring different progenitor scenarios for type Ia supernovae. In this thesis we studied the white dwarf populations of the Galactic disk and halo and our work was focused on four main objectives. The first was to analyze the effects of stellar metallicity on the white dwarf luminosity function of the Galactic disk. We use our Monte Carlo population synthesis code to produce synthetic samples of white dwarfs which we later compare to two relatively large observational samples, from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) and SuperCosmos Sky Survey (SSS). For each of the two cases, we implement the corresponding observational selection criteria. We first explore the impact of varying the fraction of white dwarfs with hydrogen-deficient atmospheres and of using alternative sets of cooling tracks. We then test different age-metallicity relations, considering the impact of progenitor metallicity throughout the entire evolution of the star. Our second objective was to determine the luminosity, mass and cumulative age functions derived from a sample of disk white dwarfs identified by the LAMOST Sky Survey of the Galactic Anti-Center. We initially compute the observed functions and then the theoretical ones, according to series of initial assumptions, using our population synthesis code. We derive values for the local space density and formation rate of hydrogen-rich white dwarfs and analyze the possible causes behind the apparent excess of massive white dwarfs identified in the observed mass function. The next objective of this thesis was to revisit the halo white dwarf luminosity function, modeling the halo white dwarf population using a self-consistent prescription for very low metallicity progenitors. We pass the synthetic sample through a series of filters that reproduce the selection criteria employed in culling the observed sample of halo white dwarfs from the SSS. Given that for very low-metallicity progenitors residual hydrogen burning can become a significant source of energy, we test two different sets of cooling tracks, one that incorporates residual hydrogen burning and another where this phenomenon is artificially ignored. Finally, our last study consisted in modeling the sample of white dwarf-main sequence binaries in the Galactic disk. We compare our simulations to the largest and most recent catalog of white dwarf-main sequence binaries from the SDSS and we provide a detailed account of observational biases and errors. We use this sample to constrain several important inputs for binary formation and evolution, namely the initial mass ratio distribution and the common envelope efficiency parameter. To conclude, the work presented in this thesis testifies to the versatility of using white dwarf populations for constraining different properties of the Galactic disk and halo. The methodology described here can be used in future studies of this kind, with a myriad of new applications, especially given than in the near future a noticeable improvement in terms of the size and quality of observed white dwarf catalogs is expected.

Como estadio final en la evolución de la mayoría de estrellas de la secuencia principal, las enanas blancas se pueden utilizar para inferir propiedades importantes relativas a la formación y evolución de la Galaxia. Los métodos de síntesis de población, junto con la excelente calidad ofrecida por las secuencias de enfriamiento actuales, constituyen una herramienta versátil para el estudio detallado de las muestras observadas de enanas blancas. Entre otras posibles aplicaciones cabe citar: estimar las edades de diversas poblaciones estelares, medir el ritmo local de formación estelar y la densidad estelar, acotar el contenido local de materia bariónica, analizar la evolución estelar para estrellas tanto individuales como binarias o explorar diversos escenarios para los progenitores de Supernovas tipo Ia. En esta tesis doctoral se presentan varios estudios sobre las poblaciones de enanas blancas del disco y del halo de la Galaxia centrados en torno a cuatro objetivos principales. El primero consistió en analizar de forma teórica los efectos de la metalicidad sobre la función de luminosidad de las enanas blancas del disco Galáctico. Para ello se empleó un código Monte Carlo de síntesis de población. La muestra simulada obtenida se comparó con dos muestras observadas de enanas blancas: la del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) y la del SuperCosmos Sky Survey (SSS). En ambos casos se tuvo en cuenta los correspondientes efectos de selección. En una primera fase, se analizaron los efectos de la proporción de enanas blancas con atmósferas escasas en hidrógeno. A continuación, se comprobaron diferentes relaciones edad-metalicidad, teniendo en cuenta el efecto de ésta a lo largo de la evolución de la estrella. Nuestro segundo objetivo consintió en determinar las funciones de luminosidad, de masa y de edad acumulativa, derivadas de la muestra de enanas blancas identificadas por LAMOST. Primero se calcularon las funciones observadas y luego las simuladas en base a nuestro código de síntesis de poblaciones. Se calcularon también los valores tanto de la densidad estelar como del ritmo local de formación para las enanas blancas con atmósferas ricas en hidrógeno. Por último, se analizaron las posibles causas del exceso de enanas blancas masivas observado. El tercer objetivo de esta tesis se centró en realizar un análisis actualizado de la función de luminosidad de las enanas blancas del halo, utilizando una prescripción auto-consistente para enanas blancas con progenitores de muy baja metalicidad. La población simulada se pasó por una serie de filtros creados para reproducir los criterios de selección utilizados en la muestra observacional del SSS. Dado que, para enanas blancas provenientes de estrellas de muy baja metalicidad, la quema residual de hidrógeno se convierte en una fuente importante de energía, se compararon los resultados usando secuencias de enfriamiento con quema residual de hidrógeno y secuencias calculadas sin tener en cuenta este fenómeno. Finalmente, nuestro último objetivo fue reproducir la muestra de binarias compuestas por una enana blanca y una estrella de la secuencia principal en el contexto del disco Galáctico. Las simulaciones fueron comparadas con la muestra más extensa y reciente para este tipo de objetos obtenida del SDSS. El estudio también incorporó un tratamiento muy detallado de los sesgos y errores observacionales. La muestra resultante simulada se utilizó para restringir varios parámetros importantes en la formación y evolución de sistemas binarios, tales como la distribución inicial del cociente de masa y el parámetro de eficiencia de la fase de envoltura común. Para concluir, el trabajo presentado en esta tesis demuestra la versatilidad del uso de los modelos de síntesis de poblaciones de enanas blancas en la estimación de diferentes propiedades del disco y halo de la Galaxia. La metodología aquí descrita puede ser utilizada en multitud de estudios futuros de este tipo