X-ray spectroscopy of hot white dwarfs

Abstract

X-ray spectra of two hot white dwarfs observed by the Chandra satellite have been analyzed. The first is a white dwarf of spectral class DA with an almost pure hydrogen atmosphere. Contrary to that, the atmosphere of the second object, a PG 1159 star, is basically hydrogen free. The reason for the different composition can be found in the differing evolution of these objects.

Some DA white dwarfs show much smaller metallicities than predicted by the mechanism of radiative levitation. Many spectral lines of the heavy elements that are the key to the explanation to the unusual metal poorness are located in the X-ray wavelength range. Some PG 1159 stars are non-radial g-mode pulsators. The pulsations depend amongst others on the abundances of the elements in the atmosphere, log g, and T eff. The soft X-ray range is particularly temperature sensitive and allows to constrain the temperature of a non-pulsating PG 1159 star with respect to its pulsating spectroscopic twin. Detailed analysis of X-ray spectra of single white dwarfs do not yet exist.

The aim of this thesis was to analyze spectra of the DA white dwarfs LB 1919 and GD 246 in different wavelength ranges in order to find out if the metals in the atmospheres of these objects are homogeneously mixed or chemically stratified. This helps to identify or exclude possible unexpected mechanisms that might disturb the equilibrium between gravitational and radiative forces in the atmosphere. For LB 1919 an additional aim was to identify photospheric features of several elements and determine their abundances for the first time. It was further intended to determine the temperature of the non-pulsating PG 1159 star PG 1520+525 precisely.

The spectra of LB 1919 and GD 246 ranging from X-ray to optical wavelengths were analyzed with advanced homogeneous and stratified Non-LTE model atmospheres. The Chandra spectrum of the PG 1159 star PG 1520+525 was analyzed with homogeneous Non-LTE model atmospheres only since no stratification is expected.

The results show that the atmospheres of LB 1919 and GD 246 can be better reproduced by stratified model atmospheres. This indicates that the equilibrium between radiative levitation and gravitational settling is in good order and that the cause for the metal poorness of LB 1919 has to be found in an earlier evolutionary stage. The temperature of PG 1520+525 can be constrained to T eff = 150 000 +/- 5000 K, the log g is 7.5 +/- 0.5.

Spektroskopische Röntgenbeobachtungen von zwei heißen weißen Zwergen wurden vom Chandra Satelliten aufgenommen und ausgewertet. Das erste Objekt ist ein weißer Zwerg der Spektralklasse DA, dessen Atmosphäre fast ausschließlich aus Wasserstoff besteht. Im Gegensatz dazu finden sich in der Atmosphäre des zweiten Objekts, eines PG 1159 Sterns, keine signifikanten Mengen an Wasserstoff. Die Gegensätzlichkeit der beiden Objekte liegt in ihrer unterschiedlichen Entwicklungsgeschichte begründet.

Einige DA weiße Zwerge weisen eine Metallizität auf, die deutlich geringer ist als durch den Mechanismus des radiativen Auftriebs vorhergesagt. Viele Spektrallinien schwerer Elemente, die der Schlüssel zu einer Erklärung dieser ungewöhnlichen Metallarmut sind, lassen sich nur im Röntgen-Wellenlängenbereich finden. Einige PG 1159 Sterne pulsieren. Die Pulsationen hängen unter anderem von der Häufigkeit der Elemente in der Atmosphäre, log g und T eff ab. Der weiche Röntgenbereich ist besonders temperaturempfindlich und ermöglicht es, die Temperatur eines nicht pulsierenden PG 1159 Sterns präzise zu bestimmen. Dieses Objekt kann dann mit einem pulsierenden Stern mit ähnlichen spektroskopischen Eigenschaften verglichen werden. Bis jetzt gibt es keine detaillierten Analysen von Röntgenspektren einzelstehender weißer Zwerge.

Das Ziel dieser Dissertation war es, Spektren der DA weißen Zwerge LB 1919 und GD 246 in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen zu analysieren, um herauszufinden, ob die Metalle in der Atmosphäre homogen verteilt oder chemisch geschichtet sind. Das liefert Erkenntnisse, um festzustellen, ob in der Atmosphäre unerwartete Prozesse auftreten, die das Gleichgewicht zwischen gravitativen und radiativen Kräften stören könnten. Ein zusätzliches Ziel war es, zum ersten Mal die chemische Zusammensetzung von LB 1919 zu bestimmen. Ein weiteres Ziel war die exakte Temperaturbestimmung des nicht pulsierenden PG 1159 Sterns PG 1520+525.

Die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufgenommenen Spektren von LB 1919 und GD 246 wurden mit homogenen und geschichteten Non-LTE Modellatmosphären analysiert. Das Chandra Spektrum des PG 1159 Sterns PG 1520+525 wurde ausschließlich mit homogenen Non-LTE Atmosphären untersucht, da eine Schichtung in diesem Falle nicht zu erwarten ist.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Atmosphären von LB 1919 und GD 246 besser durch eine geschichtete Atmosphäre reproduziert werden können. Das deutet darauf hin, dass das Gleichgewicht zwischen gravitativen und radiativen Kräften intakt ist und dass der Grund für den Metallmangel von LB 1919 in einem früheren Entwicklungsstadium zu suchen ist. Die Temperatur von PG 1520+525 kann auf T eff = 150 000 +/- 5000 K eingeschränkt werden, das log g beträgt 7.5 +/- 0.5.