SUPERNOVAE THEORY: STUDY OF ELECTRO-WEAK PROCESSES DURING GRAVITATIONAL COLLAPSE OF MASSIVE STARS - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2010

SUPERNOVAE THEORY: STUDY OF ELECTRO-WEAK PROCESSES DURING GRAVITATIONAL COLLAPSE OF MASSIVE STARS

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Abstract

The physics of supernova requires the understanding of both the complex hydrodynamical phenomena (such as transfer of energy, neutrino transport, shock) as well as the microphysics related to the dense and hot matter. In the framework of type II Supernovae theory, currently most of numerical simulations that simulate the supernova core collapse up to the formation and propagation of the shock wave fail to reproduce the observed explosion of the outer layers of massive stars. The reason for that could be due both to hydrodynamical phenomena such as rotation, convection, and general relativity, and to some microphysical processes involved in the picture and not yet completely understood. The aim of this work is to investigate some of these microphysical inputs, namely the electro-weak processes, that play a crucial role during the gravitational collapse and to analyse their effects by means of hydrodynamical simulations. Among nuclear processes which occur in core-collapse supernova, the most important electro-weak process taking place during the collapse is the electron capture; it occurs both on free protons and on protons bound in nuclei. This capture is essential to determine the evolution of the lepton fraction of the core during the neutronization phase. It affects the efficiency of the bounce and, as a consequence, the strength of the shock wave. Moreover, both the equation of state of supernova matter and electron capture rates in nuclei are modified by the effective mass of nucleons in nuclei, induced by many-body correlations in the dense medium, and its temperature dependence. In the first part of the thesis, a nuclear model aimed at studying the nuclear effective mass is presented. We show how we have included in a energy density functional (EDF) approach a surface-peaked nucleon effective mass to mimic some effects beyond Hartree-Fock. We have added a term to the Skyrme functional, in order to reproduce the enhancement of the effective mass at the nuclear surface, increasing the level density around the Fermi surface. We apply this framework to analyse the mean field properties in 40Ca and 208Pb nuclei, and the pairing properties at zero and finite temperature in the nucleus 120Sn. New calculations to evaluate the temperature dependence of the nucleon effective mass in the microscopic RPA framework are underway. The second part of the thesis is devoted to the supernova models I have worked on. The results obtained within a one-zone approximation, such as the ones achieved in spherically symmetric one-dimensional Newtonian and General Relativistic codes are presented. Even if there are many facet of a supernova event that cannot be consistently captured by a spherically symmetric model, and observations of neutron star kicks, or inhomogeneous ejecta, invoke multi-dimensional effects, one dimensional simulations allow a first and detailed study of different specific inputs and can focus on the uncertainties in nuclear physics. In particular, we show that, introducing a temperature dependent nuclear symmetry en- ergy (via a temperature dependent nucleon effective mass) into the supernova simulations, in the case of a one-zone and a spherically symmetric one dimensional Newtonian code with neutrino transport, the deleptonization is systematically reduced, and the effect on the shock wave energetics is non-negligible. Furthermore, the results obtained with a General Relativistic code, without neutrino transport but with the evolution equation for neutrinos already implemented in a multi-group fashion, are analysed. We study the impact of the equation of state and the electron capture on the collapse phase. A Newtonian version of the code has been implemented, thus comparisons are carried out. The obtained results are in global agreement with the literature. The development of numerical codes done in this thesis in order to simulate the corecollapse is suitable to test microscopical properties of the matter and can provide a useful tool for future research projects.
La physique des supernovae requiert la connaissance soit des phénomènes complexes hydrodynamiques dans la matière dense (comme le transport d'énergie et des neutrinos, le traitement du choc) soit de la microphysique liée à la physique des noyaux et de la matière nucléaire dans la matière dense et chaude. Dans le cadre de la théorie des supernovae de type II, la plus part des simulations numériques qui simulent l'effondrement du coeur de supernova jusqu'à la formation et la propagation de l'onde du choc n'arrive pas à reproduire l'explosion des couches extérieures des étoiles massives. La raison pour cela pourrait être due soit aux phénomènes hydrodynamiques comme la rotation, la convection, ou bien la relativité générale, soit aux processus microphysiques qui ne sont pas très bien connus dans ce domaine de densités, températures et asymétries. Le but de ce travail de thèse est d'étudier l'effet de certaines processus microphysiques, en particulier les processus électro-faibles, qui jouent un rôle fondamental pendant l'effondrement gravitationnel, et d'analyser leur impact avec une simulation hydrodynamique. Parmi les processus microphysiques qui interviennent lors d'un effondrement de supernova, le plus important processus électro-faible est la capture électronique sur les protons libres et sur les noyaux. La capture est essentielle pour déterminer l'évolution de la fraction leptonique dans le coeur pendant la phase de neutronisation. Elle a un impact sur l'efficacité du rebond et, par conséquent, sur l'énergie de l'onde du choc. De plus, l'équation d'état de la matière et les taux de capture électronique sur les noyaux sont modifiés par la masse effective des nucléons dans les noyaux, due aux correlations à multi-corps dans le milieu dense, et à sa dépendence de la température. Après une introduction générale qui contient une revue de la phénoménologie des supernovae en appuyant sur la nécessité de la connaissance des données nucléaires pour les simulations numériques, dans la première partie de la thèse les aspects nucléaires abordés dans ce travail sont présentés. Le Chapitre 2 est constitué par une courte introduction sur les concepts importantes qui sont développés dans la Partie I et utilisés dans la Partie II de la thèse; en particulier: la théorie du champ moyen, de l'appariement en approximation BCS, la définition de masse effective en connexion avec la densité des niveaux et l'énergie de symétrie. Dans le Chapitre 3, un modèle nucléaire dont le but est d'améliorer la densité d'états autours du niveau de Fermi dans les noyaux est présenté. On a inclu dans l'approche de la fonctionnelle de la densité une masse effective piquée en surface qui simule certains effets au delà de Hartree-Fock. Cela a été possible en ajoutant un terme à la fonctionnelle de Skyrme qui puisse reproduire l'augmentation de la masse effective et de la densité d'états à la surface de Fermi, comme attendu par les données expérimentales. On a étudié l'impact de ce nouveau terme sur les propriétés de champ moyen dans les noyaux 40Ca et 208Pb, et sur les propriétés d'appariement à température nulle et à température finie dans le noyau 120Sn. On a aussi commencé des nouveaux calculs pour évaluer la dépendance en température de la masse effective dans l'approche microphysique de la RPA, dont les résultats préliminaires sont montrés dans l'Appendice D. Cette partie nucléaire est complétée par une appendice (Appendice B), qui donne les détails des paramétrisations de Skyrme utilisées dans le texte, et par l'Appendice C qui analyse la dépendence de la température de la masse effective en connection avec le paramètre de densité des niveaux qui peut être extrait par les expériences de physique nucléaire. La deuxième partie de la thèse est dediée aux modèles de supernova sur lequels j'ai travaillé. On présente les résultats obtenus avec un approche à une zone, et deux modèles monodimensionnels en symétrie sphérique: newtonien et en relativité générale. Bien que un modèle en symétrie sphérique n'est pas capable de saisir tous les aspects complexes du phénomène de supernova, et les observations des vitesses des étoiles à neutrons ou des inhomogéneitées des éjecta requièrent l'inclusion dans les simulations des effets multidimensionnels, un modèle monodimensionnel permet un premier étude détaillé de l'impact des différentes données microphysiques en focalisant l'analyse sur l'incertitude des données de physique nucléaire. Après une introduction générale faite dans le Chapitre 4 qui décrit les principals ingrédients des différentes simulations numériques (comme le traitement du choc et le transport de neutrinos), les codes sur lequels j'ai travaillé sont illustrés en détail. Le Chapitre 5 présente un modèle à une zone, où le coeur de supernova a été approximé par une sphère de densité homogène. Bien que ceci est un modèle simple, il est capable de reproduire de façon qualitative (et quantitative dans ses ordres de grandeur) la "trajectoire" d'effondrement (i.e. l'évolution des grandeurs thérmodynamiques le long de l'effondrement). Dans ce cadre, on a évalué l'impact de la dépendance en température de l'énergie de symétrie (via la dépendance en température de la masse effective) dans la dymanique du collapse, et on a montré que, en incluant cette dépendance en température, la deleptonisation dans le coeur est systématiquement réduite et l'effet sur l'énergie du choc est non-négligeable. Ces résultats nous ont conduit à effectuer des simulations plus réalistes, en employant un code monodimensionnel newtonien en symétrie sphérique, avec transport des neutrinos. La description de ce code, développé par P. Blottiau et Ph. Mellor au CEA,DAM,DIF, est l'object du Chapitre 6. On a inclu dans l'équation d'état dérivée par Bethe et al.(BBAL), aussi utilisée dans le code à une zone, la même paramétrisation de la masse effective, qui agit à la fois sur les Q-valeurs des taux de capture et sur l'équation d'état du système. Les résultats de ces simulations ont confirmés ceux qui avaient été obtenus avec le code one-zone, c'est à dire la reduction systématique de la deleptonisation dans le coeur si on inclue la dépendance en température de l'énergie de symétrie. De plus, on en a estimé l'impact sur la position de la formation de l'onde du choc, qui est déplacée vers l'extérieur d'une quantité non-négligeable. On a aussi travaillé pour inclure dans le code l'équation d'état plus récente de Lattimer et Swesty. Enfin, le Chapitre 7 décrit un code, à l'origine développé par le groupe de Valence, écrit en rélativité générale et qui utilise un approche moderne pour le traitment du choc (la "capture du choc"). Bien que ce modèle ne contient pas le transport des neutrinos, l'équation de l'évolution de la fraction neutrinique est déjà écrite avec un schema multi-groupe qui permet une première analyse spectrale des neutrinos. On étudie l'effet de l'équation d'état dans la dynamique d'effondrement ainsi que l'impact de la capture électronique. Une versione newtonienne a été aussi implémentée et les résultats obtenus sont en accord avec la littérature. Cette partie est complétée par plusieurs appendices. Dans l'Appendice A, les différentes unités de mesure employées dans les codes sont listées. Les Appendices E et F sont dédiées à deux équations d'état: la prémière est celle d'un gas de neutrons, protons et électrons; la deuxième décrit l'équations d'état de Lattimer et Swesty et les modifications qu'on a apportés pour corriger une erreur dans la définition de l'énergie de liaison des particules alpha et pour étendre l'équation d'état à des densités plus basses. Enfin, l'Appendice G détaille les processus des neutrinos implémentés dans les simulations. Le développement des codes numériques pour simuler l'effondrement gravitationnel de supernova effectué dans ce travail de thèse est apte pour tester les propriétés de la matière et peux constituer un outil pour des projets de recherche futurs.
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Dates and versions

tel-00566480 , version 1 (16-02-2011)

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  • HAL Id : tel-00566480 , version 1

Cite

A. F. Fantina. SUPERNOVAE THEORY: STUDY OF ELECTRO-WEAK PROCESSES DURING GRAVITATIONAL COLLAPSE OF MASSIVE STARS. Astrophysique [astro-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00566480⟩

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