par Kullmann, Ina 
Président du jury Godefroid, Michel
Promoteur Goriely, Stéphane
Publication Non publié, 2022-12-02
Président du jury Godefroid, Michel
Promoteur Goriely, Stéphane
Publication Non publié, 2022-12-02
Thèse de doctorat
| Résumé : | A long-standing scientific puzzle has been to explain the origin of the heaviest elements in the Universe and, more particularly, the production of the elements heavier than iron up to uranium. The rapid neutron capture process (or r-process) is known to synthesize about 50% of these heavy elements and the long-lived actinides observed in our solar system and so-called metal-poor r-process-enhanced stars. This thesis aims to study the r-process nucleosynthesis and some of the uncertainties that still govern our predictions, namely, nuclear yields and heating rates.Our focus will be on the r-process in neutron star (NS) mergers, which is in the spotlight after recent “multi-messenger” observations, including the combined detection of gravitational waves from a NS-NS merger event and its subsequent electromagnetic counterpart. In this work, we base our nucleosynthesis calculations on hydrodynamical simulations of NS merger systems, which estimate the amount of ejected mass and its properties during ejection. Through our r-process calculations, we estimate the composition of this gravitationally unbound material, which can contribute to the r-process enrichment of the Galaxy.This work is divided into two studies, each addressing a remaining open question regarding the r-process nucleosynthesis. First, a coherent study of the impact of neutrino interactions on the r-process element nucleosynthesis and the heating rate produced by the radioactive decay of nuclei synthesized in the dynamical ejecta of NS-NS mergers is presented. We have studied the material ejected from four NS-NS merger systems based on hydrodynamical simulations, which handle neutrino effects in an elaborate way by including neutrino equilibration with matter in optically thick regions and re-absorption in optically thin regions. Second, we present an in-depth study of the nuclear physics uncertainties that still affect the r-process results by systematically and coherently varying theoretical nuclear input models that describe the experimentally unknown neutron-rich nuclei. This includes two frameworks for calculating the radiative neutron capture rates and 14 different models for nuclear masses, β-decay rates and fission properties. Our r-process calculations are based on detailed hydrodynamical simulations of dynamically ejected material from NS-NS or NS-black hole (BH) binary mergers plus the secular ejecta from BH-torus systems.In the first study, we find that the neutron richness of the dynamical ejecta is significantly affected by the neutrinos emitted at the time of the coalescence, in particular when compared to a case neglecting all neutrino interactions. Our nucleosynthesis results show that a solar-like distribution of r-process elements with mass numbers A >∼ 90 is produced, including a significant enrichment in Sr and a reduced production of actinides compared to simulations without including the nucleonic weak processes. The composition of the dynamically ejected matter and the corresponding rate of radioactive decay heating are found to be rather independent of the system mass asymmetry and the adopted equation of state. This approximate degeneracy in abundance pattern and heating rates can be favourable for extracting the ejecta properties from kilonova observations, at least if the dynamical component dominates the overall ejecta.The impact of nuclear uncertainties on the r-process abundance distribution and the early radioactive heating rate is found to be modest (within a factor of ∼ 20 for individual A > 90 abundances and a factor of 2 for the heating rate). However, the impact on the late-time heating rateis more significant and depends strongly on the contribution from fission. We witness significantly larger sensitivity to the nuclear physics input if only a single trajectory is used compared to considering ensembles of a few hundred trajectories. Our models for the total ejecta reproduce the solar system distribution well for A > 90 nuclei and yield a significant amount of Th and U, irrespective of the adopted nuclear physics model. We use the predicted Th/U ratio to estimate the cosmochronometric age of six metal-poor stars to set a lower limit of the age of the Galaxy and find the impact of the nuclear uncertainties to be up to 2 Gyr. |
| L’une des questions scientifiques de longue date concerne l’origine des éléments les plus lourds dans l’Univers, et plus particulièrement la production des éléments plus lourds que le fer jusqu’à l’uranium. Le processus de capture rapide de neutrons (ou processus r) est connu pour synthétiser près de 50% de ces éléments lourds ansi que les actinides à longue durée de vie observés dans notre système solaire et dans les étoiles de faible métallicité enrichies en éléments r. Cette thèse a pour but l’étude de la nucléosynthèse par le processus r et certaines des incertitudes qui affectent encore nos prédictions des abondances nucléaires et les taux d’échauffement. Nous nous focaliserons sur le processus r lors de la coalescence d’étoiles à neutrons qui est sous les projecteurs après de récentes observations multi-messagers, incluant la detection combinée d’ondes gravitationnelles de la coalescence de deux étoiles à neutrons et de leur contrepartie électromagnétique. Dans ce travail, nous basons nos calculs nucléosynthétiques sur des simulations hydrodynamiques de systèmes d’étoiles à neutrons en coalescence qui permettent d’estimer la quantité de matière éjectée ainsi que leurs propriétés. Par nos calculs de processus r, nous estimons la composition de la matière non-liée gravitationnellement qui peut ainsi contribuer à l’enrichissement de la Galaxie par le processus r.Ce travail est divisé en deux parties principales, chacune traitant une question encore ouverte concernant la nucléosynthèse par le processus r. Premièrement, une étude cohérente est présentée sur l’impact des interactions neutriniques sur la nucléosynthèse des éléments r et du taux d’échauffement par décroissance radioactive des noyaux synthétisés dans l’éjecta dynamique de deux étoiles à neutrons en coalescence. Nous avons étudié la matière ejectée à partir de quatre systèmes de fusion d’étoiles à neutrons sur base de simulations hydrodynamiques qui traitent les effets neutriniques de façon élaborée en y incluant la mise à l’équilibre avec la matière dans les regions optiquement épaisses et la ré-absorption dans les regions optiquement fines. Deuxièmement, nous présentons une étude approfondie des incertitudes nucléaires qui affectent encore les calculs de processus r, ceci en variant de façon systématique et cohérente les modèles théoriques nucléaires qui décrivent les noyaux riches en neutrons inconnus expérimentalement. Ceci inclut deux approches pour le calcul des taux de capture radiative de neutrons et 14 modèles différents pour les masses nucléaires, les taux de désintégration beta et les propriétés de fission. Nos calculs de processus r sont basés sur des simulations hydrodynamiques détaillées de la matière éjectée dynamiquement lors de la coalescence de deux étoiles à neutrons ou d’une étoile à neutron et d’un trou noir, ainsi que celle éjectée après formation du système trou noir et tore.Dans la première étude, nous trouvons que l’enrichissement en neutrons de l’éjecta dynamique est affecté de manière significative par les neutrinos émis lors de la coalescence, en particulier en comparaison avec un cas où les interactions neutriniques sont négligées. Nos résultats nucléosynthétiques montrent qu’une distribution proche de celle du soleil est obtenue pour les éléments r avec un nombre de masse A>90, incluant un enrichissement important en Sr et une production réduite d’actinides, ceci en comparaison aux simulations négligeant les interactions faibles entre les nucléons. La composition de la matière éjectée dynamiquement et le taux correspondant d’échauffement radioactif restent relativement independants de l’asymétrie en masse du système considéré et de l’équation d’état adoptée. Une telle dégénérescence approximative sur les distributions d’abondance et les taux d’échauffement peuvent être favorables à l’extraction des propriétés de l’éjecta à partir d’observations de kilonovae, du moins si la composante dynamique domine l’éjecta dans son ensemble.L’impact des incertitudes nucléaires sur la distribution des abondances du processus r et le taux d’échauffement radioactif dans les premiers instants s’avère être modeste (d’un facteur 20 environ pour certaines abondances individuelles pour des noyaux à A>90 et d’un facteur 2 pour les taux d’échauffement). En revanche, l’impact sur les taux d’échauffement tardifs est plus significatif et dépend fortement de la contribution de la fission. Nous trouvons une sensibilité significativement plus importante aux données nucléaires si une seule trajectoire est considérée au lieu d’un ensemble de plusieurs centaines de trajectoires. Nos modèles combinés de l’éjecta reproduisent bien la distribution solaire pour les noyaux à A>90 et produisent une quantité significative de Th et U, indépendamment du modèle nucléaire adopté. Nous utilisons les prédictions du rapport Th/U pour estimer par cosmochronométrie l’âge de six étoiles pauvres en métaux afin de poser une limite inférieure sur l’âge de la Galaxie et trouvons un impact des incertitudes nucléaires limité à 2 milliards d’années. |
