Accretion onto Neutron Stars: Hydrodynamics and Nucleosynthesis

Abstract

In the middle of the 70s, some authors suggested that accretion of hydrogen and helium rich material by a neutron star in a binary system, where the companion star would have low mass, could explain thermonuclear bursts observed by the first satellites launched to the space in order to analyze the Xray band of the electromagnetic spectrum. This phenomenon, known as type I X-ray bursts (XRB), is a thermonuclear runaway produced by the themonuclear fusion of the accreted material in degenerated conditions. This kind of explosion from stellar source is the most frequent in our galaxy (and the third, after supernovae and classical novae, in terms of total output energy), because his short recurrence period. Due to the extreme gravitational field of a neutron star it is known that produced nucleosynthesis is not ejected to the interstellar medium but forming part of the neutron star crust.<br/>In this work we have tried, first, to study the effects of nuclear uncertainties, related to nuclear reaction rates, in the nucleosynthesis produced during a X-ray burst, and second, to simulate physical properties and associated nucleosynthesis to this kind of events, through hydrodynamical models.<br/>In order to analyze the impact of uncertainties of the nuclear reaction rates in the nucleosynthesis, and due to the prohibitive calculation time with an hydrodinamical code, we have used a post-processing code which we have coupled, for a given set of 10 temperatures and densities profiles, an extensive nuclear reactions network formed by 606 isotopes and 3551 nuclear reactions, whose reaction rates have been modified using to alternative methods. In the first one, every rate has been individually modified, multiplying it by 0.1 and 10, calculating the final nucleosynthesis. This way, it is possible to evaluate the impact in final nucleosynthesis individual variations in the nuclear reaction rates. Also we have analyzed the effects in final nucleosynthesis by modifying the energy associated to each reaction (Q-value). In the second method, nuclear reaction rates have been modified simultaneously, multiplying each one by a random factor which follow a log-normal distribution with a probability of 95.5% of being in the interval [0.1,10]. In order to analyzed this method from an statistically point of view, the nucelosynthesis has been calculated up to 10,000 times, with a Monte Carlo code specifically built to this Thesis, for different set of random numbers. Obtained results with both methods are coincidents and show that for a network formed by 3,500 reactions approximately, only about 60 reactions have an impact in final yields greater than a factor of 2.Finally, we have used an hydrodynamical code, one-dimensional (spherically symmetric), Lagrangian and multi-shell, to which we have coupled a nuclear reactions network formed by 324 isotopes and 1392 reactions with the aim of reproduce physical parameters and nucleosynthesis produced during X-ray bursts. To do that, we have applied this code to different models, analyzing the effect of spatial resolution in the accreted shell, the metallicity of the transferred material as well as the mass of the neutron star, in the final result. For each model, we have simulated different bursts, with energies, luminosities and recurrence times coincidents with observations and, together with the nucleosynthesis, similar to the results obtained by other authors.

A mediados de los años 70, varios autores sugirieron que la acreción de material rico en hidrógeno y helio por parte de una estrella de neutrones, integrante de un sistema binario donde la masa de la estrella compañera fuese pequeña, podría explicar las erupciones termonucleares observadas por los primeros satélites lanzados al espacio para analizar la banda X del espectro electromagnético. Dicho fenómeno, conocido como erupciones de rayos X de tipo I (en inglés, type I X-ray bursts, XRB), consiste en el alud termonuclear producido por la fusión termonuclear del material acretado, en condiciones degeneradas. Este tipo de explosión termonuclear de origen estelar es el más frecuente en nuestra galaxia (y el tercero, tras las supernovas y las novas clásicas, en términos de energía total liberada), debido a su corto periodo de recurrencia. Como consecuencia del extremo campo gravitatorio de una estrella de neutrones, se cree que la nucleosíntesis producida durante este tipo de eventos no es expulsada al medio interestelar, pasando a formar parte de la corteza de la estrella.<br/>En este trabajo hemos intentado, por un lado, estudiar los efectos de las incertidumbres de origen nuclear, asociadas a los ritmos de las reacciones nucleares, en la nucleosíntesis producida durante un X-ray burst; y por otro lado, simular las propiedades físicas y la nucleosíntesis asociada a este tipo de eventos, mediante modelos hidrodinámicos.<br/>Para estudiar el impacto de las incertidumbres de los ritmos de las reacciones nucleares en la nucleosíntesis, y debido a que el tiempo de cálculo con un código hidrodinámico resultaría prohibitivo, hemos utilizado un código de post-procesado al que se ha acoplado, para un conjunto determinado de 10 perfiles de temperatura y densidad, una extensa red de reacciones nucleares, formada por 606 isótopos y 3551 reacciones nucleares, cuyos ritmos de reacción han sido modificados utilizando dos métodos alternativos. En el primero, cada ritmo ha sido modificado individualmente, multiplicándolo por 0.1 y 10, calculándose la nucleosíntesis final. De esta manera, puede evaluarse el impacto que tienen en las abundancias finales las variaciones individuales de los ritmos de las reacciones nucleares.<br/>Así mismo, también se ha analizado el efecto que produce en las abundancias finales el hecho de modificar la energía asociada a cada reacción (Q-value). En el segundo método, los ritmos nucleares se han modificado simultáneamente, multiplicando cada uno de ellos por un factor aleatorio según una distribución log-normal, y cuya probabilidad de encontrarse en el intervalo [0.1,10] es del 95,5%. Para poder hacer una estimación estadística de este último método, se ha calculado la nucleosíntesis hasta 10.000 veces, con un código Monte Carlo específicamente construido para esta Tesis, para diferentes conjuntos de números aleatorios. Los resultados obtenidos con ambos métodos son coincidentes y demuestran que, para una red formada por unas 3500 reacciones nucleares, sólo unas 60 reacciones tienen un impacto en las abundancias finales mayor que un factor 2.<br/>Por último, hemos utilizado un código hidrodinámico, unidimensional (en simetría esférica), Lagrangiano y multicapa, al que se ha acoplado una red de reacciones nucleares formada por 324 isótopos y 1392 reacciones nucleares, con el objetivo de reproducir los parámetros físicos y la nucleosíntesis producida en los X-ray bursts. Para ello, hemos aplicado este código a diferentes modelos, analizando el efecto de la resolución espacial de la capa acretada, la metalicidad del material transferido, así como la masa de la estrella de neutrones, en el resultado final. Para cada modelo, hemos simulado diferentes erupciones, con energías, luminosidades, y periodos de recurrencia, coincidentes con las observaciones y, junto con la nucleosíntesis, similares a los resultados obtenidos por otros autores.