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Nucleosynthesis of lighter heavy elements in neutrino-driven winds

Bliss, Julia Barbara Erika :
Nucleosynthesis of lighter heavy elements in neutrino-driven winds.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nucleosynthesis of lighter heavy elements in neutrino-driven winds
Language: English
Abstract:

Neutrino-driven winds following core-collapse supernova explosions are an exciting astrophysical site for the formation of the lighter heavy elements between strontium up to (possibly) silver. Observations of very old stars, so-called ultra-metal poor stars, show scatter in the abundances of these elements, whereas they exhibit a robust abundance pattern for the elements beyond barium. Therefore, the origin of the lighter heavy elements in the universe is associated to the r-process and at least one additional process. Although it is not clear if neutrino-driven winds are neutron- or proton-rich, the necessary astrophysical conditions to synthesize lighter heavy elements are already found in wind simulations. Here, we assume that the missing component corresponds to the weak r-process occurring in slightly neutron-rich winds. Despite the fast progress in theoretical and experimental nuclear astrophysics in the last years, the astrophysical as well as the nuclear physics uncertainties are still very large. In this thesis, we address the impact of the astrophysics and nuclear physics uncertainties on the wind nucleosynthesis. We present possible astrophysical conditions and key reactions in neutron-rich winds.

In the first part of this thesis, we quantify the astrophysical uncertainties in neutrino-driven winds. A systematic study using trajectories from hydrodynamic simulations is from a computational point of view not feasible. In addition, there are still uncertainties in the core-collapse supernova mechanism and the wind evolution. Thus, we calculate steady-state trajectories and investigate the nucleosynthesis. In the final abundances, we identify different nucleosynthesis groups by the different neutron, alpha, and seed abundances. The groups mainly distinguish in the position of the nucleosynthesis path relative to the valley of stability. Each group exhibits characteristic abundance peaks. We show that the abundance patterns are only sensitive to specific reactions if the nucleosynthesis path overcomes the neutron shell closure at $N=50$.

In the second part of this thesis, we investigate the impact of nuclear physics uncertainties on the wind nucleosynthesis with our main focus on the $(\alpha,\mathrm{n})$ reactions. The $(\alpha,\mathrm{n})$ reactions are essential to redistribute matter and to reach heavier nuclei in neutron-rich winds. The uncertainties of the $(\alpha,\mathrm{n})$ reaction rates arise from the statistical model and its nuclear physics input, mainly the alpha optical potential. In a first sensitivity study, we vary the $(\alpha,\mathrm{n})$ reaction rates by constant factors, which are within their uncertainties, and find a critical influence on the nucleosynthesis evolution. Therefore, we perform a Monte Carlo sensitivity study within the astrophysical uncertainties studied in the first part of this thesis to identify individual critical $(\alpha,\mathrm{n})$ reactions. The key $(\alpha,\mathrm{n})$ reactions are identified by analyzing the correlations between reaction rate modifications and resulting abundance changes. We find that the uncertainties of the $^{82}\mathrm{Ge}(\alpha,\mathrm{n})$, $^{84}\mathrm{Se}(\alpha,\mathrm{n})$, and $^{85}\mathrm{Se}(\alpha,\mathrm{n})$ reaction rates critically affect the nucleosynthesis, and especially the abundances for nuclei with atomic numbers $Z=36-39$. The reduction of these rate uncertainties will significantly decrease the influence of nuclear physics uncertainties on the wind nucleosynthesis. Since the nucleosynthesis path proceeds close to the valley of stability, these reactions can be measured with new radioactive beam facilities like FRIB or FAIR in the near future. Once the nuclear physics uncertainties are reduced by experiments, observations from very old stars will constrain the astrophysical conditions in neutrino-driven winds and improve our understanding of core-collapse supernovae and neutrino-driven winds.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Neutrinogetriebene Winde von Kernkollaps-Supernova-Explosionen sind ein vielversprechendes astrophysikalisches Szenario für die Synthese der leicht schweren Elemente zwischen Strontium und (wahrscheinlich) Silber. Beobachtungen von den ältesten Sternen zeigen Abweichungen in den Häufigkeiten dieser Elemente auf, wohingegen ein universell auftretendes Muster für Elemente schwerer als Barium beobachtet wird. Deshalb wird der Ursprung der leicht schweren Elemente im Universum mit dem r-Prozess und mindestens einem zusätzlichen astrophysikalischen Prozess in Verbindung gebracht. Obwohl nicht klar ist, ob neutrinogetriebene Winde neutronen- oder protonenreich sind, werden die notwendigen astrophysikalischen Bedingungen zur Produktion der leicht schweren Elemente bereits in Windsimulationen gefunden. Wir nehmen im Rahmen dieser Arbeit an, dass die fehlende Komponente der schwache r-Prozess ist, der in leicht neutronenreichen Winden auftritt. Trotz des rasanten Fortschritts in der theoretischen und experimentellen Astrophysik in den letzten Jahren sind die Unsicherheiten in den astrophysikalischen Bedingungen und in den kernphysikalischen Modellen immer noch sehr groß. Im Rahmen dieser Arbeit erforschen wir die Auswirkung der Unsicherheiten in den astrophysikalischen Bedingungen und in den kernphysikalischen Modellen auf die Nukleosynthese in neutrinogetriebenen Winden. Wir präsentieren mögliche Häufigkeitsmuster und Schlüsselreaktionen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir systematisch die astrophysikalischen Bedingungen in leicht neutronenreichen Winden. Eine systematische Studie, die auf Trajektorien von hydrodynamischen Simulationen basiert, ist derzeit zu rechenintensiv. Darüber hinaus gibt es noch Unsicherheiten im Kernkollaps-Supernova-Mechanismus und der Entwicklung des neutrinogetriebenen Windes. Daher berechnen wir stationäre Windtrajektorien und analysieren die Nukleosynthese. In den Elementhäufigkeiten identifizieren wir verschiedene Nukleosynthesegruppen anhand der unterschiedlichen Neutronen, Alphateilchen- und Saatkernhäufigkeiten. Die Nukleosynthesegruppen unterscheiden sich hauptsächlich aufgrund der Fortentwicklung des Nukleosynthesepfades relativ zum Tal der Stabilität. Jede Nukleosynthesegruppe weist ein charakteristisches Häufikeitsmuster auf. Wir zeigen, dass die Häufigkeitsmuster nur sensitiv auf spezifische Reaktionen reagieren, falls der Nukleosynthesepfad die magische Neutronenzahl $N=50$ überschreitet. Im zweiten Teil dieser Arbeit erforschen wir den Einfluss der Unsicherheiten in den kernphysikalischen Modellen auf die Nukleosynthese im Wind mit dem Hauptaugenmerk auf $(\alpha, \mathrm{n})$ Reaktionen. Die $(\alpha, \mathrm{n})$ Reaktionen sind essentiell zur Umverteilung der Materie im neutrinogetriebenen Wind und zur Produktion schwererer Kerne. Die Unsicherheiten in den $(\alpha, \mathrm{n})$ Reaktionsraten gehen aus dem statistischen Modell zur Berechnung der Reaktionsraten sowie den kernphysikalischen Modellen zur Beschreibung der alpha-optischen Potentiale hervor. In einer ersten Sensitivitätsstudie werden die $(\alpha, \mathrm{n})$ Reaktionsraten mit konstanten Faktoren variiert, die die Unsicherheiten in den Reaktionsraten beschreiben. Wir erkennen, dass die Unsicherheiten in den $(\alpha, \mathrm{n})$ Reaktionsraten einen kritischen Einfluss auf die Entwicklung der Nukleosynthese haben. Deshalb führen wir eine Monte Carlo Sensitivitätsstudie zur Identifizierung einzelner kritischer $(\alpha, \mathrm{n})$ Reaktionen durch. Die $(\alpha, \mathrm{n})$ Schlüsselreaktionen werden durch die Analyse von den Korrelationen zwischen der Variation der Reaktionsraten und der daraus resultierenden Häufigkeitsänderungen identifiziert. Wir schlussfolgern, dass die Unsicherheiten in den $^{82}\mathrm{Ge}(\alpha,\mathrm{n})$, $^{84}\mathrm{Se}(\alpha,\mathrm{n})$, und $^{85}\mathrm{Se}(\alpha,\mathrm{n})$ Reaktionsraten einen entscheidenden Einfluss auf die Nukleosynthese und insbesondere auf die Häufigkeiten der Elemente mit Protonenzahl $Z=36-39$ haben. Die Reduzierung der Unsicherheiten dieser Reaktionsraten wird den Einfluss der Unsicherheiten in kernphysikalischen Modellen auf die Nukleosynthese im neutrinogetriebenen Wind erheblich verringern. Da der Nukleosynthesepfad nahe dem Tal der Stabilität verläuft, können diese Reaktionen bereits in naher Zukunft mit neuen Beschleunigeranlagen wie FRIB oder FAIR gemessen werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Kernphysik und Nukleare Astrophysik
Date Deposited: 10 Aug 2018 08:06
Last Modified: 10 Aug 2018 08:06
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-75691
Referees: Arcones Segovia, Prof. Dr. Almudena and Schatz, Prof. Dr. Hendrik
Refereed: 16 October 2017
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7569
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