TU Darmstadt / ULB / TUprints

Weak Interactions in Degenerate Oxygen-Neon Cores

Fahlin Strömberg, Dag Isak August (2020):
Weak Interactions in Degenerate Oxygen-Neon Cores. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00013302,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Weak Interactions in Degenerate Oxygen-Neon Cores
Language: English
Abstract:

Stars with an initial mass of roughly seven to eleven times the mass of our sun are known as intermediate-mass stars. They go through central hydrogen, helium and carbon burning before entering their Super-AGB phase. At this point they have a degenerate oxygen-neon core in their centre consisting mostly out of 16O and 20Ne, with smaller amount of other nuclei such as 23Na, 24Mg, 25Mg and 27Al. Mass is added to the core through thermal pulses, causing it to contract. In some cases the density grows to a point where electron capture processes are triggered. Alternatively, an oxygen-neon white dwarf is formed that can reach similar high densities by accreting mass from a binary companion. Eventually heating from the double electron capture 20Ne(e^− , ν_e )20F(e^− ,ν_e)20O triggers a runaway oxygen burning. Known as an electron-capture supernova, such an event results in either a collapse to a neutron star or a thermonuclear explosion with an oxygen-neon-iron white dwarf remnant. The outcome depends, among other things, on the conditions in the core when ignition occurs. In particular, if the central density is larger than a certain critical value the core is believed to collapse.

In this work we focus on weak interaction rates in the pre-ignition phase. Due to the relatively low temperatures ( T < 1 GK ) at this stage only low-lying states ( E < 100 keV ) are thermally populated. The rates are thus fully determined by the small set of transitions involving these states. Typically only allowed transitions are considered, but it has been shown that the second-forbidden non-unique transition between the ground states of 20Ne and 20F might have a significant impact on the rate. We seek to constrain the rate of any relevant forbidden transitions and evaluate their effect on the evolution of the core.

We use shell model calculations to determine the relevant nuclear matrix elements. Due to cancellations this approach results in one of the matrix elements being identically zero. We get a more realistic value by relating it to one of the non-zero matrix elements via the conserved vector current (CVC) theory. We benchmark our approach against the second-forbidden non-unique beta decay of 36Cl and 24Na. For 36Cl our predicted rate is more than a factor five too large, but our theoretical spectrum agrees well with experiment if the CVC relation is used. There is no experimental spectrum available for 24Na but our calculated rate is within 50% of the measured value.

To constrain the forbidden transition between 20 Ne and 20 F we collaborated with experimentalists who measured the high-energy tail of the 20 F decay spectrum. In this particular decay the important nuclear matrix elements are essentially constrained by the CVC relation and the analogue gamma decay in 20Ne. The resulting spectrum agrees with the 20F measurement within the experimental uncertainties. We find that the forbidden transition is quite close to its previously known upper limit, increasing the capture rate on 20Ne by several orders of magnitude in a critical density range.

To evaluate the impact of the new rate we use the stellar evolution code MESA. The forbidden transition tends to reduce the ignition density and push the ignition away from the centre. We demonstrate that the off-centre ignition is due to the forbidden transition slowly depleting 20Ne in the centre of the core, ultimately leading to outer regions with more 20Ne left heating at a higher rate.

We also calculate the strength of two additional forbidden transitions: between 24Na and 24Ne and between 27Al and 27Mg. We find that the 24Na/24Ne transition only has a minor impact on the ignition conditions. However, it may have an impact on convective stability and could be important for cores with substantial residual carbon. The transition between 27Al and 27Mg does not seem to have any significant effects.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Sterne mit einer anfänglichen Masse von ungefähr sieben bis elf Sonnenmassen werden als Sterne mittlerer Masse bezeichnet. Nachdem sie Wasserstoff, Helium und Kohlenstoff in ihrer Mitte verbrannt haben, treten sie in die Super-AGB-Phase ein. Zu diesem Zeitpunkt haben sie einen entarteten Sauerstoff-Neon-Kern in ihrem Zentrum, der hauptsächlich aus 16O und 20Ne besteht. Kleinere Mengen anderer Atomkerne wie 23Na, 24Mg, 25Mg und 27Al sind auch vorhanden. In dieser Phase wächst der Sauerstoff-Neon-Kern durch thermische Pulse. Diese bewirken eine ansteigende Dichte, die in einigen Fällen so hoch wird, dass Elektroneneinfangprozesse ausgelöst werden. Der doppelte Elektroneneinfang 20Ne(e^−, ν_e )20F(e^−, ν_e )20O erwärmt den Kern und löst eine explosionsartige Sauerstoffverbrennung aus. Ein solches Ereignis, das als Elektroneneinfang-Supernova bekannt ist, führt entweder zu einem Kollaps zu einem Neutronenstern oder zu einer thermonuklearen Explosion, in der ein Weißer Zwerg aus Sauerstoff, Neon und Eisen gebildet wird. Welcher der beiden Prozesse am Ende eintritt, hängt unter anderem von den Bedingungen im Kern ab, unter denen die Zündung stattfindet. Insbesondere wenn die zentrale Dichte größer als ein bestimmter kritischer Wert ist, wird angenommen, dass der Kern kollabiert. Diese Arbeit legt den Fokus auf schwache Wechselwirkungsraten in der Vorzündungsphase. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen ( T < 1 GK ) sind zu diesem Zeitpunkt nur tiefliegende Zustände (E < 100 keV) thermisch besetzt. Die Raten werden somit vollständig durch die kleine Menge an Übergängen bestimmt, die zwischen diesen Zuständen stattfinden können. In der Regel werden nur erlaubte Übergänge berücksichtigt. Es wurde jedoch gezeigt, dass der zweifach verbotene Übergang zwischen den Grundzuständen von 20Ne und 20F erhebliche Auswirkungen auf die Elektroneneinfangsrate haben kann. In dieser Arbeit wird angestrebt, die Rate relevanter verbotener Übergänge zu bestimmen, und deren Auswirkung auf die Entwicklung des Kerns zu bewerten. Um die relevanten Kernmatrixelemente zu bestimmen, werden Berechnungen auf Basis des Schalenmodells verwendet. Diese Methode führt dazu, dass eines der Matrixelemente identisch null ist. Für dieses kann ein realistischerer Wert mit der Theorie der Vektorstromerhaltung (Conserved Vector Current, CVC) aus einem anderen Matrixelement berechnet werden. Um die Genauigkeit dieses Ansatzes zu überprüfen, werden die bereits gemessenen zweifach verbotenen Beta-Zerfälle von 36Cl und 24Na berechnet. Für 36Cl ist die vorhergesagte Rate um mehr als einen Faktor fünf zu groß. Das mittels CVC-Theorie berechnete Spektrum stimmt jedoch gut mit experimentellen Daten überein. Für 24Na ist kein experimentelles Spektrum verfügbar, aber der relative Unterschied zwischen der berechneten Rate und dem gemessenen Wert beträgt weniger als 50%. Um den verbotenen Übergang zwischen 20 Ne und 20 F zu bestimmen, haben wir mit Experimentalphysikern zusammengearbeitet, die das 20F-Zerfallsspektrums im Bereich seiner Höchstenergie gemessen haben. In diesem speziellen Zerfall werden die wichtigen Kernmatrixelemente im Wesentlichen durch die CVC-Beziehung und den analogen Gamma-Zerfall in 20Ne bestimmt. Das resultierende Spektrum stimmt mit der Messung von 20F innerhalb der experimentellen Ungenauigkeit überein. Es wird festgestellt, dass der verbotene Übergang ziemlich nahe an seiner zuvor bekannten Obergrenze liegt, was die Einfangrate von 20Ne in einem kritischen Dichtebereich um mehrere Größenordnungen erhöht. Um die Auswirkungen der neuen Rate auf den Sauerstoff-Neon-Kern zu bewerten, wird der Sternentwicklungs-Simulationsprogramm MESA verwendet. Der verbotene Übergang neigt dazu, die Zündungsdichte zu verringern und die Zündung von der Mitte wegzuschieben. Es wird gezeigt, dass die außermittige Zündung auf ein Nachlassen von 20Ne in der Mitte des Kerns durch den verbotenen Übergang zurückzuführen ist. Dieses führt letztendlich dazu, dass äußere Regionen mit einem höheren Massenanteil 20Ne schneller erwärmt werden. Diese Arbeit berechnet auch die Stärke von zwei zusätzlichen verbotenen Übergängen: zwischen 24Na und 24Ne und zwischen 27Al und 27Mg. Es wird festgestellt, dass der Übergang zwischen 24Na und 24Ne nur einen geringen Einfluss auf die Zündbedingungen hat. Dieser kann sich jedoch auf die Konvektionsstabilität auswirken und für Kerne mit einem erheblichem Restbestand an Kohlenstoff von Bedeutung sein. Der Übergang zwischen 27Al und 27Mg scheint keine wesentlichen Auswirkungen zu haben.German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: vi, 111 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Theoretical Nuclear Astrophysics Group
Date Deposited: 02 Dec 2020 09:46
Last Modified: 02 Dec 2020 09:53
DOI: 10.25534/tuprints-00013302
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-133020
Referees: Martínez-Pinedo, Prof. Dr. Gabriel and Roth, Prof. Dr. Robert
Refereed: 22 April 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13302
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