Ph.D and Habilitation thesis

Simulation multidimensionnelle de l'explosion d'une supernova par production de paires

by Nina Smirnova (LAPTh)

Europe/Paris
Petit Amphi (Annecy-le-Vieux)

Petit Amphi

Annecy-le-Vieux

9, chemin de Bellevue 74940 Annecy-le-Vieux
Description

The thesis proposes to simulate the last moments of the life of a first star of the universe. The 50 seconds that this event lasted were reproduced with a numerical code that developed during the thesis. This three-dimensional, high-resolution simulation requires fifteen days of computation on a supercomputer. During the explosion, the prodigious energy of the order of $10^{53}$ ergs is released by the thermonuclear fusion reactions, $10^{32}$ times more than the largest of the thermonuclear bombs. These first stars of the universe represent the last puzzle of astrophysics because they have not yet been observed. In the coming years, with the launch of James Webb Telescope, the replacement for the Hubble Space Telescope, we will obtain the first observations of this first light that has set our universe on fire. It seems that these stars are very massive because formed from the first elements left after the Big Bang.

However, even with a non-zero metallicity, we also expect to observe them in our near universe. The explosion mechanism is relatively simple and was updated at the end of the 1960s. The key factor is the temperature that allows the materialization of light in pairs of electrons and positrons, which under certain conditions will escape in neutrinos. This will cause a sudden contraction of the star and an unleashing of nuclear reactions that will destroy the star. This scenario involves the elementary particles of our universe: photons, electrons, positrons, and neutrinos. It is remarkable of simplicity and according to certain hypotheses, could also be at the origin of the long gamma-ray bursts. The simulations have shown that the Amati relation, verified by 1D numerical codes, is also predicted by this 3D simulation. I will present the steps that allowed to create a 3D code for modeling of a pair-instability supernova explosion,  the tests performed, and the comparisons with 1D and 2D codes. Then, the results of these simulations and the predictions in abundances of elements after the explosion of the star will be presented.

 

en francais

Cette thèse propose de simuler les derniers instants de vie d’une première étoile de l’univers. Les quelques 50 secondes que durent cet évènement ont été reproduit avec un code numérique que j’ai développé pendant ma thèse. Cette simulation à trois dimensions à haute résolution demande quinze jours de calculs sur un superordinateur. Lors de l’explosion, une énergie prodigieuse de l’ordre de 10^53 ergs est libérée par les réactions de fusion thermonucléaire. Ces premières étoiles de l’univers représentent le dernier puzzle de l’astrophysique parce qu’elles n’ont pas encore été observées. Ces prochaines années, avec la mise en orbite du James Webb Telescope, le remplaçant du Hubble Space Telescope, on obtiendra les premières observations de cette première lumière qui a embrasé notre univers. Il semble que ces étoiles sont très massives parce que formées à partir des premiers éléments laissés après le Big-Bang.

Mais même avec une métallicité non nulle, on s’attend aussi à les observer dans notre proche univers. Le mécanisme d’explosion est relativement simple et a été mis à jour à la fin des années 60. Le facteur déterminant est la température qui permet la matérialisation de la lumière en paires d’électrons et de positrons qui sous certaines conditions vont s’échapper en neutrinos. Ce qui va entraîner une contraction soudaine de l’étoile et un déchaînement des réactions nucléaires qui vont détruire l’étoile. Ce scénario qui met en jeu les particules élémentaires de notre univers : photon, électron, positrons et neutrinos; est remarquable de simplicité et suivant certaines hypothèses pourrait aussi être à l’origine des sursauts gamma longs. Mes simulations ont montré que la relation de Amati qui avait été vérifiée par des codes numérique 1D est aussi prédite par cette simulation en 3D. Je présenterais les nombreuses étapes qui m’ont permis de créer un code 3D d’explosion d’étoiles en instabilité de paires avec les tests que j’ai effectué et les comparaisons avec des codes 1D et 2D. Ensuite, je présenterais les résultats de ces simulations et les prédictions en abondances d’éléments éléments laissés après la disparition de l’étoile.