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Nucleosynthetic yields of population III core-collapse supernovae
Martina Maria Koppitz
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Astronomie
Betreuer*in
Bodo Ziegler
DOI
10.25365/thesis.72518
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16365.84216.908023-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die ersten Sterne, Population III Sterne genannt, spielen eine bedeutende Rolle in der chemischen Entwicklung des Universums. In dessen frühen Phasen bestand es fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium, da Energien während der primordialen Nukleosynthese nicht ausreichten um schwerere Kerne zu bilden. Erst durch stellare Nukleosynthese im Inneren der ersten Sterne wurden mit der Zeit schwerere Atomkerne gebildet. Durch ihren Tod schließlich wurde das All mit diesen Metallen angreichert, im astronomischen Kontext zu verstehen als jene Elemente schwerer als Wassertoff und Helium. Trotz ihrer großen Bedeutung bleiben die Eigenschaften der PopIII weiterhin unvollständig. Simulationen weisen darauf hin, dass ihre Massen im Allgemeinen höher sind als die der heutigen Sternenpopulation. Aufgrund ihrer hohen Rotverschiebung sind sie weder mit aktuellen, noch der zukünftigen Generation von Teleskopen direkt zu beobachten. Dennoch gibt es Möglichkeiten ihre Eigenschaften näher zu untersuchen, indem die unmittelbar nachfolgende Sternengeneration studiert wird. Genauer gesagt werden extrem metallarme Sterne beobachtet und deren Zusammensetzung erforscht. Unter Annahme, dass diese Population II Sterne durch die Überreste eines bzw. sehr weniger PopIII Sterne angereichert wurden, können ihre Isotopenhäufigkeiten mit denen aus theoretischen Vorhersagen verglichen werden. Je nach Eigenschaften der Sternen, allen voran der Masse, werden unterschiedliche Elemente in der Nukleosynthese generiert. Abhängig von der Art und genauerem Mechanismus des Sternentodes ergibt sich eine bestimmte Menge an Isotopen, welche schließlich in das interstellare Medium ausgestoßen werden. Dieses modellierten Häufigkeiten lassen sich anschließend mit denen aus Beobachtungen von extrem metallarmen Sternen abgleichen. Somit lassen sich Übereinstimmungen finden, welche wiederum Rückschlüsse auf die Eigenschaften der ersten Sterne zulassen. In der vorliegenden Arbeit werden die Kernkollaps-Supernovae zweier nichtrotierender PopIII Sterne mit 12.4 M⊙, jedoch zwei unterschiedlichen Explosionsenergien mithilfe des CASTRO Codes simuliert. Die Sternmodelle wurden zunächst mit dem Sternentwicklung-scode KEPLER bis hin zum Einsetzen des Kernkollaps entwickelt. Die Explosion selber wird über Hinzufügen von Impuls in Gang gesetzt und anschließend auf das 2-dimensionale Netz von CASTRO übertragen. Ziel ist es, mittels hydrodynamischer Simulationen das Vermischen und den Rückfall des Materials sowohl während der Supernova, als auch der folgenden Ausbreitung nachzustellen. Des Weiteren werden die Resultate mit der chemischen Zusammensetzung eines der metallärmsten Sterne J031300 verglichen um nach Parallelitäten in den Isotopenhäufigkeiten zu suchen.
Abstract
(Englisch)
Population III (PopIII) stars were the first stars that inhabited our universe. Through stellar nucleosynthesis they fuse nuclei heavier than hydrogen and helium. With their deaths, these elements are ejected into the interstellar medium. Their importance as the primary enrichers of the cosmos is undisputable and crucial for the cosmic chemical evolution, yet their properties still remain fragmentary. Due to their high redshifts at z10 − 20 and weak brightnesses, direct observations with today’s and the next generation of observatories are impossible. Nevertheless, there are ways to obtain information by searching for their descendants, the successive generation of stars, called PopulationII (PopII). Formed from the ashes of the previous generation, they carry an imprint of their elemental composition. Analyzing their abundance pattern can reveal not only the properties of the first stars but also give insights into their deaths. Simulating their ends, computing their ejected material and matching these results to observed abundances is how stellar archaeology proceeds to unravel the mysteries of the first stars. The present thesis will investigate the nucleosynthetic yields of two PopIII core-collapse supernovae 12.4 M⊙ with explosion energies of 0.3 B and 0.9 B. Hydrodynamical simulations are performed to model evolution and expansion of the process. Special emphasis is taken to study mixing of the shells inside the stars during shock propagation as well as fallback onto the compact remnant which determine the nucleosynthetic yields in the end, particularly for heavier metals. Stellar progenitor models were already evolved in a stellar evolution code, all the way from the start of central hydrogen burning on the main sequence until the onset of collapse of their iron cores. This object now carries all the information about the elemental abundances created inside the star through stellar nucleosynthesis during its life and its arrangement in shells around the iron core. An explosion is triggered by the deposition of linear momentum at energies of 0.3 and 0.9 Bethe (1Bethe = 1051 erg = 1044 joule). These 1D models are mapped on the 2D CASTRO grid using a conservative mapping scheme to ensure conservation of mass and energy. The goals of my thesis are modelling fallback and mixing and deduce the chemical yields of the elements ejected by the supernova. Discuss differences between the run two models, and the results presented in the paper of Chen et al. [ 2]. Furthermore, results of the two explosion energies are compared to the chemical composition of one of the most iron-poor stars known so far, namely J031300. Knowing such detailed Pop III supernovae nucleosynthetic yields not only helps us constrain properties of the first stars, but also to constrain at what time the first habitable worlds in our universe may have formed.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Population III Sterne Frühes Universum Nukleosynthetische Ausbeute CASTRO Code Kernkollaps Supernova 2D Simulationen
Schlagwörter
(Englisch)
Population III Stars Early Universe Nucleosynthetic Yields CASTRO code Core-Collapse Supernova 2D Simulations
Autor*innen
Martina Maria Koppitz
Haupttitel (Englisch)
Nucleosynthetic yields of population III core-collapse supernovae
Paralleltitel (Deutsch)
Nukleosynthetische Ausbeute von Population III Kernkollaps Supernovae
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
xi, 61 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Bodo Ziegler
AC Nummer
AC16665562
Utheses ID
64986
Studienkennzahl
UA | 066 | 861 | |