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r-process nucleosynthesis: on the astrophysical conditions and the impact of nuclear physics input

Martin, Dirk :
r-process nucleosynthesis: on the astrophysical conditions and the impact of nuclear physics input.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: r-process nucleosynthesis: on the astrophysical conditions and the impact of nuclear physics input
Language: English
Abstract:

The origin of the heaviest elements in our Universe is an unresolved mystery. We know that half of the elements heavier than iron are created by the rapid neutron capture process (r-process). The r-process requires an extremely neutron-rich environment as well as an explosive scenario. Naturally, the merger of a neutron star with another compact object provides suitable conditions. In particular, neutron star mergers present the most promising astrophysical site for the r-process.

In this thesis, we study the r-process nucleosynthesis in the material ejected from neutron star mergers from two sites. First, we compute the detailed r-process abundances for the different kinds of ejecta from these systems, probing the astrophysical conditions. Second, we determine the impact of the nuclear physics input on the final abundance yields.

For our comprehensive nucleosynthesis study, we use hydrodynamical conditions from recent astrophysical simulations of neutron star mergers in 3D. We calculate for the first time the mass-integrated nucleosynthesis yields of the dynamic ejecta and of the neutrino-driven wind. The separation of timescales allows a separate treatment of these two ejecta. We find that the dynamic ejecta carry a substantial neutron-rich component to produce a successful r-process. Since in all current simulations only an approximate neutrino treatment is computationally feasible, we explore the possible impact of weak reactions. In our post-processing procedure, we see a decrease in neutron-richness, such that a successful r-process to the heaviest elements can be prevented. For the subsequent neutrino-driven wind, we find that the nucleosynthesis yields depend sensitively on both the life time of the massive neutron star and the polar angle. Matter in excess of up to $9 \cdot 10^{-3} M_\odot$ becomes unbound until $\sim 200$~ms in the aftermath of the merger, similar the ejected mass from the dynamic ejecta. Here, electron fractions of $\Ye \approx 0.2 - 0.4$ lead to the production of mainly nuclei with mass numbers $A < 130$. This complements the yields from the earlier dynamic ejecta. We consider mixing scenarios with these two types of ejecta to explain the abundance pattern in r-process enriched metal-poor stars. Additionally, we calculate heating rates for the decay of the freshly produced radioactive isotopes. The resulting light curve, known as kilonova, peaks in the blue band after about four hours. Furthermore, high opacities due to heavy r-process nuclei in the dynamic ejecta lead to a second peak in the infrared after three to four days.

From the nuclear physics side, we investigate the impact of the nuclear physics input on the nucleosynthesis. Here, nuclear masses play a fundamental role in understanding how the heaviest elements are created in the r-process. Using masses obtained with six Skyrme energy density functionals that are based on different optimization protocols, we calculate neutron capture and photodissociation rates. We predict r-process nucleosynthesis yields in realistic astrophysical scenarios and determine for the first time systematic uncertainty bands for r-process abundances related to mass modeling. We find that features of the underlying microphysics make an imprint on abundances especially in the vicinity of neutron shell closures. Abundance peaks and troughs are reflected in the trends of neutron separation energy. Further advances in the nuclear theory and experiments, when linked to observations, will help in the understanding of astrophysical conditions in extreme r-process sites.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Der Urprung der schwersten Element in unserem Universum ist ein ungelöstes Rätsel. Wir wissen jedoch, dass etwa die Hälfte der Element, die schwerer als Eisen sind, im rapiden Neutroneneinfangprozess (r-Prozess) entstehen. Der r-Prozess läuft in explosiven Szenarien ab, die besonders neutronenreich sind. Naturgemäß bietet die Verschmelzung eines Neutronensterns mit einem anderen kompakten Objekt passende Bedingungen. Insbesondere stellt die Verschmelzung von zwei Neutronensternen die aussichtsreichste astrophysikalische Umgebung dar. In dieser Arbeit studieren wir die r-Prozess Nukleosynthese in der Materie, die bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne herausgeschleudert wird. Zunächst berechnen wir die detaillierten r-Prozess Häufigkeiten für die verschiedenen Arten von ausgestoßener Materie, um die astrophysikalischen Bedingungen zu ergründen. Danach bestimmen wir den Einfluss kernphysikalischer Modelle auf die endgültigen Häufigkeiten. Für unsere umfassende Studie der Nukleosynthese nutzen wir hydrodynamische Profile aus den neusten Simulationen von der Verschmelzung zweier Neutronensterne in 3D. Wir berechnen erstmalig die mit der Masse gewichtete Nukleosynthese von dynamisch herausgeworfenem Material und dem neutrinogetriebenen Wind. Die zeitliche Trennung der beiden Auswürfe von Materie erlaubt es uns, diese getrennt zu behandeln. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das dynamisch herausgeworfene Material eine hinreichend neutronenreiche Komponente besitzt, um zu einem erfolgreichen r-Prozess zu führen. Weiterhin untersuchen wir den Einfluss der schwachen Reaktionen, da alle derzeitigen Simulationen sämtliche Effekte aufgrund von Neutrinos nur genähert handhaben können. Bei dieser nachträglichen Verarbeitung der Simulationsdaten finden wir, dass das Material weniger neutronenreich wird. Dadurch kann ein erfolgreicher r-Prozess, der bis zu den schwersten Elementen hin reicht, verhindert werden. In dem darauffolgenden neutrinogetriebenen Wind zeigt sich, dass die Nukleosynthese stark von sowohl der Überlebensdauer des zentralen, massiven Neutronensterns als auch vom Betrachtungswinkel abhängt. Material mit einer Masse von $9 \cdot 10^{-3} M_\odot$ wird innerhalb der ersten $\sim 200$~ms nach der Verschmelzung der beiden Neutronensterne ausgestoßen. Dieser Wert ist dem des dynamisch herausgeworfenen Materials sehr ähnlich. Der relativ hohe Elektronenanteil $\Ye \approx 0.2 - 0.4$ im neutrinogetriebenen Wind führt zu der vorwiegenden Produktion von Atomkernen mit Massenzahlen $A < 130$. Folglich ist die Nukleosynthese komplementär zu der von dynamisch herausgeworfenem Material. Wir betrachten mehrere Mischungsszenarien der beiden ausgestoßenen Arten von Material, um die Häufigkeitsverteilungen in metallarmen Sternen, die reich an r-Prozess Elementen sind, zu erklären. Weiterhin bestimmen wir die Heizraten für den Zerfall der produzierten radioaktiven Isotope. Die resultierende Lichtkurve, auch bekannt als Kilonova, erreicht nach vier Stunden ein Maximum im Bereich blauer Wellenlängen. Darüber hinaus führen die hohen Opazitäten aufgrund der schweren r-Prozess Atomkerne in dynamisch herausgeworfenem Material zu einem zweiten Maximum im Infraroten nach drei bis vier Tagen. Ausgehend den kernphysikalischen Aspekten untersuchen wir, wie kernphysikalische Modelle die r-Prozess Nukleosynthese beeinflussen. Hierbei spielen die Massen der Atomkerne eine wichtige Rolle, um zu entschlüsseln, wie die Synthese schwerer Elemente abläuft. Wir verwenden sechs Sätze an Massen, die auf verschiedenen Optimierungsprotokollen im Rahmen der Skyrme Energiedichtefunktionaltheorie beruhen, um Neutroneneinfangraten und Photodissoziationsraten zu berechnen. Wir bestimmen die r-Prozess Nukleosynthese in realistischen astrophysikalischen Szenarien und ermitteln erstmals systematische Unsicherheitsbänder aufgrund der Modellierung von Kernmassen. Es stellt sich heraus, dass die Eigenschaften der zugrundeliegenden Mikrophysik einen Einfluss auf die r-Prozess Häufigkeiten haben. Dies zeigt sich insbesondere in der Nähe abgeschlossener Neutronenschalen. Die Häufigkeitsmaxima und -lücken spiegeln sich direkt in der Entwicklung der Neutronenseparationsenergie wider. Weitere Fortschritte in der Kernphysik, sowohl in der Theorie als auch im Experiment, werden in Kombination mit Beobachtungen dabei helfen, die astrophysikalischen Bedingungen für den r-Prozess zu verstehen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Kernphysik und Nukleare Astrophysik
Date Deposited: 05 Jul 2017 05:47
Last Modified: 05 Jul 2017 05:47
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-63017
Referees: Arcones Segovia, Prof. Dr. Almudena and Wambach, Prof. Dr. Jochen
Refereed: 29 May 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6301
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