Probing the origin of heavy elements in extreme conditions: the message of kilonovae

The origin of the heaviest elements observed in nature has been a long-standing topic in astrophysics. It is now well established that neutron-rich explosive environments in the universe can ignite r-process nucleosynthesis, the mechanism responsible for producing a significant fraction of these species. While the complete set of astrophysical sites capable of hosting the r-process remains under debate, a confirmed scenario is the merger of two neutron stars. This event produces multiple signals, including gravitational waves (GWs), a gamma-ray burst (GRB), and an electromagnetic (EM) transient known as kilonova (KN), which is powered by the radioactivity of r-process freshly-synthesized nuclei. The landmark detection of GW170817 and its associated kilonova AT2017gfo provided the first multi messenger observation of a neutron star merger, offering insights into the merger remnant and the ejecta composition. In response to these observations, kilonova modeling has advanced rapidly, with a branch of efforts focusing on efficient, predictive tools for light curve analysis. This thesis introduces xkn, a novel semi-analytic framework grounded in radiative transfer solutions for expanding ejecta, which is capable of capturing key features of more sophisticated simulations. Applying xkn to GW190425, a binary neutron star merger without a detected EM counterpart, we find that the observational upper limits constrain the amount of ejecta and, by extension, inform both the original binary mass ratio and the equation of state (EOS) of nuclear matter, ruling out models supporting overly massive neutron stars. To further probe the EOS, we consider models where nuclear matter properties, such as the incompressibility and the effective nucleon mass, are systematically varied. Using the nuclear reaction network WinNet and a semi-analytic KN model, we explore how these parameters affect the ejecta yields and the kilonova light curves. While early merger outflows can be directly linked to the considered nuclear properties, their impact on the production of heavy elements and the kilonova signatures appears limited and entangled with the later ejecta. As our final focus, we examine GRB supernovae as alternative r-process sites, modeling their nebular-phase spectra in non local thermodynamic equilibrium (NLTE) conditions. We find that a reasonable quantity of heavy elements (∼ 0.1% of ejecta mass) could imprint detectable signatures in the mid-infrared, making instruments like the James Webb Space Telescope (JWST) pivotal in confirming their production.

Der Ursprung der schwersten in der Natur beobachtbaren Elemente ist seit Langem ein zentrales Forschungsthema in der Astrophysik. Inzwischen gilt es als gut belegt, dass neutronenreiche, explosive Umgebungen im Universum die r-Prozess-Nukleosynthese auslösen können – den Mechanismus, der für die Entstehung eines bedeutenden Anteils dieser Elemente verantwortlich ist. Auch wenn die vollständige Liste der astrophysikalischen Orte, an denen der r-Prozess stattfinden kann, noch Gegenstand wissenschaftlicher Debatten ist, gilt die Verschmelzung zweier Neutronensterne als bestätigtes Szenario. Solch ein Ereignis erzeugt verschiedene Signale, darunter Gravitationswellen (GWs), einen Gammablitz (GRB) und eine Kilonova (KN), das durch die Radioaktivität frisch synthetisierter r-Prozess-Nuklide angetrieben wird. Die bahnbrechende Entdeckung von GW170817 und der damit assoziierten Kilonova AT2017gfo stellte die erste Multi-Messenger-Beobachtung einer Neutronensternverschmelzung dar und lieferte wertvolle Einblicke in den Verschmelzungsüberrest und die Zusammensetzung der Auswürfe. Als Reaktion auf diese Beobachtungen hat sich die Modellierung von Kilonovae rasant weiterentwickelt, wobei sich ein Zweig auf effiziente, vorhersagekräftige Werkzeuge zur Analyse von Lichtkurven konzentriert. In dieser Arbeit wird xkn vorgestellt, ein neuartiger, semi-analytischer Rahmen, der auf Lösungen des Strahlungstransports für expandierende Auswürfe basiert und in der Lage ist, wesentliche Eigenschaften komplexerer Simulationen abzubilden. Bei der Anwendung von xkn auf GW190425 - eine Neutronensternverschmelzung ohne nachgewiesenes elektromagnetisches Gegenstück - lässt sich die Menge des ausgestoßenen Materials durch die beobachteten Obergrenzen einschränken. Dies erlaubt Rückschlüsse auf das ursprüngliche Massenverhältnis des Binärsystems sowie auf die Zustandsgleichung (EOS) der Kernmaterie und schließt Modelle aus, die zu massereiche Neutronensterne unterstützen. Zur weiteren Untersuchung der EOS betrachten wir Modelle, in denen Eigenschaften der Kernmaterie wie die Inkompressibilität und die effektive Nukleonenmasse systematisch variiert werden. Mithilfe des nuklearen Reaktionsnetzwerks WinNet und eines semi-analytischen KN-Modells untersuchen wir, wie sich diese Parameter auf die Ausbeute der Ejekta und die Kilonova-Lichtkurven auswirken. Während frühe Ausflüsse nach der Verschmelzung direkt mit den betrachteten Kernmaterieeigenschaften in Verbindung stehen können, erscheint ihr Einfluss auf die Produktion schwerer Elemente und die Kilonova-Signaturen begrenzt und stark überlagert durch spätere Ejektakomponenten. Abschließend betrachten wir GRB-Supernovae als alternative Orte des r-Prozesses, wobei wir deren Spektren in der Nebelphase unter Bedingungen modellieren, die nicht im thermodynamischen Gleichgewicht sind. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bereits eine moderate Menge schwerer Elemente (etwa ∼ 0.1% der Auswurfmasse) nachweisbare Signaturen im mittleren Infrarot hinterlassen könnte, was Instrumente wie das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) entscheidend für den Nachweis ihrer Produktion macht.