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Nucleosynthesis and observational evidences of magneto-rotational driven supernovae.

Reichert, Moritz (2021):
Nucleosynthesis and observational evidences of magneto-rotational driven supernovae. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.12921/tuprints-00014198,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Nucleosynthesis and observational evidences of magneto-rotational driven supernovae.
Language: English
Abstract:

About half of the heavy elements in our Universe are synthesized by one process, the rapid neutron capture process (r-process). This process requires extreme and violent environments that achieve the necessary neutron-rich conditions. Neutron star mergers and magneto rotational driven supernovae are promising candidates to host the r-process. Within this thesis, we investigate the r-process from an observational as well as a nucleosynthesis point of view. Our ultimate goal is to find out indications in favor of, or against neutron star mergers being the proposed only source of r-process elements.

Therefore, we are particularly interested in the chemical evolution of heavy elements. Stars that are embedded in the environment of dwarf galaxies provide a perfect stellar laboratory, since they are usually well separated and shielded from external pollution and each galaxy has its own chemical history. In this work, we study 380 stars from 13 dwarf galaxies. In total, we derive abundances for 12 elements (i.e., magnesium, scandium, titanium, chromium, manganese, iron, nickel, zinc, strontium, yttrium, barium, and europium). To learn about the enrichment in heavy elements of dwarf galaxies, we first examine their individual chemical histories to ultimately learn about the heavy element enrichment of dwarf galaxies.

Additionally, we investigate a possible delay in the enrichment of heavy elements that would be inferred from the delayed onset of neutron star mergers. Neutron star mergers have already been observed and confirmed as possible r-process site. We therefore assume that they are the only source of r-process elements and combine different observational constraints to describe the chemical features of heavy elements in the Milky Way. When combining this assumption with realistic delay times, we have not been able to explain a decreasing trend in europium versus iron abundances. We suggest that a possible explanation would be an additional source that exists in the early universe but fades later.

Events that possibly can fulfill this criterion are magneto rotational driven supernovae. We use a modern state of the art hydrodynamical simulation to investigate the synthesis of elements in this type of event. In total, we calculate the nucleosynthesis of four models with different magnetic field strengths and rotation rates. We find elements up to xenon (second r-process peak) for the model with weakest magnetic field strength, which is caused by a late change of the proto-neutron star morphology. For the model with the strongest magnetic field strength, we detect a fully operating r-process. Having a detailed abundance pattern of this event calculated, we discuss possible observables such as the ejected nucleosynthetic pattern, the total amount of synthesized europium, and the possible production of gamma- and X-rays.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Etwa die Hälfte der schweren Elemente in unserem Universum wird durch einen Prozess synthetisiert, den schnellen Neutroneneinfangprozess (r-Prozess). Dieser Prozess erfordert extreme und gewalttätige Umgebungen, welche die notwendigen neutronenreichen Bedingungen erreichen. Neutronensternverschmelzungen und magnetorotationsgetriebene Supernovae sind vielversprechende Kandidaten den r-Prozess zu beherrbergen. Im Rahmen dieser Arbeit untersuchen wir den r-Prozess sowohl aus Beobachtungs- als auch aus Nukleosynthesesicht. Unser letztendliches Ziel ist es, Hinweise für oder gegen Neutronensternverschmelzungen als einzige Quelle für Elemente des r-Prozesses zu finden. Daher interessieren wir uns besonders für die chemische Anreicherung schwerer Elemente. Sterne in der Umgebung von Zwerggalaxien stellen ein perfektes Studienobjekt dar, da sie normalerweise gut voneinander getrennt sind, von äußerer Verschmutzung abgeschirmt sind, und jede Galaxie ihre eigene chemische Geschichte besitzt. In dieser Arbeit untersuchen wir 380-Sterne aus 13-Zwerggalaxien. Insgesamt leiten wir Häufigkeiten für 12-Elemente ab (Magnesium, Scandium, Titan, Chrom, Mangan, Eisen, Nickel, Zink, Strontium, Yttrium, Barium und Europium). Um etwas über die Anreicherung schwerer Elemente in Zwerggalaxien zu erfahren, untersuchen wir zunächst ihre individuelle chemische Geschichte. Anschließend untersuchen wir schwere Elemente um etwas über deren Anreicherung zu erfahren. Zusätzlich untersuchen wir eine mögliche Verzögerung bei der Anreicherung schwerer Elemente, die aus dem verzögerten Beginn von Neutronensternverschmelzungen abgeleitet werden könnte. Neutronensternverschmelzungen wurden bereits beobachtet und als möglicher Ort für den r-Prozess bestätigt. Wir gehen daher davon aus, dass sie die einzige Quelle für r-Prozess-Elemente sind und kombinieren verschiedene Beobachtungen, um die chemischen Eigenschaften der schweren Elemente in der Milchstraße zu beschreiben. Wenn wir diese Annahme mit realistischen Verzögerungszeiten kombinieren, konnten wir einen abnehmenden Trend bei den Häufigkeiten von Europium gegenüber Eisen nicht erklären. Eine mögliche Erklärung wäre eine zusätzliche Quelle, die im frühen Universum existiert aber später zur Unwichtigkeit verblasst. Ereignisse, die dieses Kriterium möglicherweise erfüllen können, sind magnetorotationsgetriebene Supernovae. Wir verwenden eine moderne hydrodynamische Simulation um die Synthese der Elemente bei dieser Art von Ereignissen zu untersuchen. Insgesamt berechnen wir die Nukleosynthese von vier Modellen mit unterschiedlichen Magnetfeldstärken und Rotationsraten. Wir finden Elemente bis zu Xenon (zweiter r-Prozess-Peak) für das Modell mit der schwächsten Magnetfeldstärke, die durch eine späte Änderung der Morphologie des Proto-Neutronensterns verursacht wird. Für das Modell mit der stärksten Magnetfeldstärke finden wir einen voll funktionierenden r-Prozess. Nachdem wir ein detailliertes Häufigkeitsmuster dieses Ereignisses berechnet haben, diskutieren wir mögliche Beobachtungen wie das Häufigkeitsverhältnis der Elemente untereinander, die Gesamtmenge des synthetisierten Europiums und die mögliche Erzeugung von Gamma- und Röntgenstrahlen.German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiii, 192 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: 12 Jan 2021 08:51
Last Modified: 12 Jan 2021 08:52
DOI: 10.12921/tuprints-00014198
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-141989
Referees: Arcones Segovia, Prof. Dr. Almudena and Koch, Dr. Andreas
Refereed: 15 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14198
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