Long-time evolution of core-collapse supernovae

The puzzle of core-collapse supernovae (CCSN) remains complicated. New insights from theory and observations bring the pieces together, but we still have to witness the complete picture. Simulations of CCSN are key to understand the mechanisms that drive the explosion. While the explosion itself is nowadays studied in great detail, the long-time evolution has received less attention in studies. This is partly because of the high computational costs for comprehensive long-time simulations. However, the seconds after the initial explosion are nevertheless critical for remnant and ejecta properties, as well as for the nucleosynthesis in a CCSN. In this study, we investigate the influence of neutrino heating and rotation on both the explosion and long-time evolution. We perform axisymmetric CCSN simulations and use adjustable parameters that allow us to study a broad range of possible scenarios. Our results suggest that increased neutrino heating is beneficial for the explosion, which is consistent with previous studies. On the other hand, rotation can be detrimental to it. In the long-time evolution, rotation reduces the mass accretion onto the proto-neutron star and creates favorable conditions for the formation of neutrino-driven winds. We furthermore investigate the trajectories of ejected fluid elements by developing a tracer particle scheme. This scheme allows for a comprehensive study of ejecta properties and an estimation of the nucleosynthesis in CCSN simulations. We test the robustness of our main results with simulations of different progenitor stars. Overall, we conclude that the long-time evolution in CCSN is important for the final explosion energy, remnant and ejecta properties.

Das Rätsel der Kernkollapssupernovae (CCSN) bleibt kompliziert. Neue Erkenntnisse aus der Theorie und von Beobachtungen setzen die Puzzleteile zusammen, aber das fertige Bild bleibt noch unvollständig. Simulationen von CCSN sind ein Schlüsselfaktor für das Verständnis der Mechanismen, die die Explosion antreiben. Während die Explosion selbst heute sehr detailliert studiert wird, erhält die Langzeitentwicklung weniger Beachtung in Studien. Dies liegt unter anderem am hohen Rechenaufwand für umfangreiche Langzeitsimulationen. Die ersten Sekunden nach der Explosion sind dennoch entscheidend für die Überreste, die ejektierte Materie, sowie für die Nukleosynthese in der CCSN. In dieser Studie untersuchen wir den Einfluss des Neutrinoheizens und der Rotation auf die Explosion und die Langzeitentwicklung. Wir führen rotationssymmetrische CCSN-Simulationen durch und verwenden variable Parameter, mit denen wir ein breites Spektrum möglicher Szenarien untersuchen. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass ein erhöhtes Neutrinoheizen vorteilhaft für die Explosion ist, wie es auch bereits in früheren Studien festgestellt wurde. Auf der anderen Seite kann sich die Rotation nachteilig auf sie auswirken. In der langfristigen Entwicklung reduziert Rotation die Massenakkretion auf den Proto-Neutronenstern und schafft günstige Bedingungen für die Bildung neutrino-getriebener Winde. Des Weiteren untersuchen wir die Trajektorien ejektierter Fluidelemente mit einem eigenen Tracerpartikelverfahren. Dieses Verfahren ermöglicht eine umfassende Untersuchung der Eigenschaften ejektierter Materie und eine Abschätzung der Nukleosynthese in CCSN-Simulationen. Wir testen die Robustheit unserer Hauptergebnisse mit Simulationen verschiedener Vorgängersterne. Insgesamt kommen wir zu dem Schluss, dass die Langzeitentwicklung in CCSN wichtig ist für die endgültige Explosionsenergie, sowie für die Eigenschaften der Überreste und der ejektierten Materie.