White dwarf and subdwarf stars in the sloan digital sky survey

Abstract

White dwarf stars are the final observable evolutionary state of over 95% of stars and also a common outcome in binary evolution. Therefore, studying white dwarfs is a powerful tool to understand both single and binary stellar evolution, local initial mass function, and post-main sequence mass loss, leading us to a better comprehension of the history of stellar formation and evolution of different stellar populations. In order to make this type of studies possible, a large and preferably complete sample of white dwarf stars, covering the whole range of physical parameters, is required. The simplest way to achieve that is to take advantage of data provided by large surveys. The Sloan Digital Sky Survey has already allowed the increase of the number of known white dwarf stars fivefold up to its data release 10. In this work, we extended the search for white dwarfs to the new objects in the data release 12, discovering 3 157 new white dwarfs and 1 349 new subdwarfs. For the first time, we have extended this search to log g < 6.5, corresponding to M < 0.3 M⊙. White dwarfs below this mass limit cannot be formed through single evolution within a Hubble time; however, if the star is part of a close binary system, the mass loss of the system may be so intense that the resulting white dwarf has mass below the single evolution limit. These objects are known as extremely-low mass white dwarfs (ELMs) They show Teff < 20 000 K and 5.0 . log g . 6.5 and spectra very similar to main sequence A stars. Less than a hundred of them are known, and most objects were discovered relying on biased selection criteria, that excluded cool (Teff < 9 000 K), lowermass (M . 0.15 M⊙) ELMs, making it difficult to validate the models and comprehend the properties of the ELMs as a class. We have identified thousands of objects whose physical properties, effective temperature and surface gravity, place them in the range of by-products of binary interaction such as the ELMs. We have called them sdAs, referring to their sub-main sequence log g and hydrogen dominated spectra. They seem to be composed of overlapping stellar populations, and we found that at least 7% are more likely ELMs or their precursors, the pre-ELMs, than main sequence stars. Obtaining time-resolved spectroscopy for 26 objects, we could confirm 15 to be in close binaries. One of them is also an eclipsing system, while another is a pulsator — the eighth member of the pulsating ELM class. Other six new pulsators were found as part of our follow-up, five of them in the vicinity of the ELM instability strip. With these results, we increase the population of ELMs by 20%, raising the fraction of cool ELMs from 4 to 20%, which is consistent with the predictions from the evolutionary models.

Estrelas anãs brancas são o último estágio evolutivo observável de mais de 95% das estrelas e também um resultado comum na evolução de estrelas binárias. O estudo de anãs brancas é, portanto, uma ferramenta poderosa na compreensão da evolução de estrelas simples e binárias, da função de massa inicial local, e da perda de massa após a sequência principal, levando-nos a uma melhor compreensão do histórico de formação e evolução estelar de diferentes populações. Para que esses estudos sejam possíveis, é necessária uma amostra grande e preferencialmente completa de anãs brancas, cobrindo todo o intervalo de parâmetros físicos. A maneira mais simples de obter isso é utilizando dados de grandes projetos de mapeamento. O Sloan Digital Sky Survey já permitiu o aumento do número de anãs brancas conhecidas em cinco vezes até o data release 10. Neste trabalho, estendemos a busca por anãs brancas aos novos objetos no data release 12, descobrindo 3 157 novas anãs brancas e 1 349 novas subanãs. Pela primeira vez, estendemos essa busca para log g < 6.5, correspondente a M < 0.3 M⊙. Anãs brancas abaixo desse limite de massa não podem formar-se em um tempo de Hubble; contudo, se a estrela é parte de um sistema de binárias próximas, a perda de massa pode ser tão intensa que a anã branca resultante tem massa inferior ao limite por evolução simples. Esses objetos são chamados anãs brancas de massa extremamente-baixa (ELMs, do inglês extremely-low mass white dwarfs) Elas têm Teff < 20 000 K e 5.0 . log g . 6.5 e espectros muito similares a estrelas A de sequência principal. Menos de cem são conhecidas, e a maioria dos objetos foi descoberta tendo em conta um critério de seleção tendencioso, que excluiu ELMs frias (Teff < 9 000 K) e com mais baixa massa (M . 0.15 M⊙), tornando difícil verificar modelos e compreender as propriedades das ELMs como classe. Nós identificamos milhares de objetos cujas propriedades físicas, temperatura efetiva e log g, estão no intervalo de produtos de evolução binária, como as ELMs. Nós os chamamos de sdAs, referindo-nos ao seu log g que as coloca abaixo da sequência principal e seu espectro dominado por hidrogênio. As sdAs parecem conter populações estelares sobrepostas, e encontramos que 7% são mais compatíveis com (pre-)ELMs do que com objetos de sequência principal. Obtivemos espectroscopia resolvida temporalmente para 26 objetos e pudemos confirmar que 15 estão em binárias. Um objeto faz parte de um sistema eclipsante, enquanto outro é pulsante — o oitavo membro da classe de ELMs pulsantes. Outros seis objetos também apresentaram pulsações em nossas observações, cinco desses estão na vizinhança da faixa de instabilidade das ELMs. Com estes resultados, aumentamos a população de ELMs por um fator de 20%, elevando a fração de ELMs de 4 para 20%, um valor que é consistente com as previsões de modelos evolucionários.