S-process nucleosynthesis in AGB stars with the full spectrum of turbulence scheme for convection

Abstract

Abstract. This thesis describes SNUPPAT (s-process nucleosynthesis post processing code for Aton), a post-processing slow neutron-capture process (s-process) code developed by us for the stellar evolutionary code ATON. The aim is to provide ATON, which shows distinct key physical characteristics to other evolutionary codes, with the capability of following heavy element nucleosynthesis in lowto intermediate-mass stars. Meaning that we have to increase the number of species followed from 30 (ATON follows 30 species from hydrogen to 31P) to around 320 (from hydrogen to 210Po) at the very least. In the long term we hope that, through ATON nucleosynthesis predictions, we may open the way to a deeper understanding of the physics and evolution during the thermally pulsing asymptotic giant branch (TP-AGB) phase. This objective is realized by the creation from scratch of a nucleosynthesis code, explained at the beginning of this thesis, along with possible optimizations to some of the traditional numerical methods used for these kind of astrophysical problems. We also tackle the issue of mixing, which includes both the convective mixing as well as the convective overshooting responsible of, among other things, the formation of an effective 13C pocket, essential for nucleosynthesis in TP-AGB stars. Following the code description, we present SNUPPAT solar metallicity results in the form of final stellar surface abundances. We explore different stellar initial masses as well as variations of the extra-mixing parameter, which governs the convective overshooting behavior. These results are analyzed to connect them with the different physical processes taking place in the deeper layers of the AGB stars. Finally, we compare our results with those from other known s-processing numerical codes, finding a reasonably good agreement with at least one of them (specifically, the MONASH version of the Mount Stromlo Stellar Structure Program), which coincidentally is the nucleosynthesis code that better explains the currently limited observational information (Rb, Zr abundances) about these stars. We note the fact that ATON-SNUPPAT appears to generate hotter models with a low third dredge-up efficiency that forces us to increase the nucleosynthesis output in the helium intershell, in order to obtain comparable surface abundances. The consequence is that SNUPPAT predictions present, generally, the signs of a higher overall neutron exposure (a measure of the total neutron captures) in the final stellar surface abundances.

En esta tesis describimos SNUPPAT (llamado as´ı por sus siglas en ingl´es sprocess nucleosynthesis post processing code for Aton), un c´odigo num´erico que hemos desarrollado de post-procesado para el c´alculo de la nucleos´ıntesis debida al proceso de captura lenta de neutrones (s-process) para el c´odigo de evoluci´on estelar ATON. El objetivo es proporcionar al c´odigo ATON, que se diferencia de otros c´odigos de evoluci´on estelar en ciertas caracter´ısticas f´ısicas clave, una forma de predecir la nucleos´ıntesis de elementos pesados en estrellas de masa baja e intermedia. Para ello necesitamos incrementar el n´umero de especies at´omicas cuya evoluci´on seguimos desde las 30 (desde el hidr´ogeno hasta el 31P) de ATON hasta unas 320 (desde el hidr´ogeno hasta el 210Po) como m´ınimo. A largo plazo estamos interesados en obtener una mayor comprensi´on de los procesos f´ısicos que se dan en el interior de las estrellas en la fase TP-AGB (del ingl´es thermally pulsing asymptotic giant branch). Para lograr este objetivo, hemos creado un c´odigo de nucleos´ıntesis desde cero, descrito al comienzo de esta tesis. Tambi´en hemos decidido incluir una serie de posibles optimizaciones a los m´etodos num´ericos tradicionales utilizados para este tipo de problemas astrof´ısicos. Para completar la descripci´on del c´odigo SNUPPAT tambi´en estudiamos c´omo mezclar correctamente las abundancias elementales en este tipo de estrellas. Esto incluye tanto la mezcla debida a la convecci´on como la debida a un caso de overshooting convectivo. Este ´ultimo es esencial para la formaci´on de un pocket de 13C, necesario para la nucleos´ıntesis en las estrellas en la fase de TP-AGB. Tras la descripci´on del c´odigo de nucleos´ıntesis, presentamos las predicciones a metalicidad solar de SNUPPAT en la forma de abundancias finales en la superficie de la estrella. Exploramos tanto con distintas masas iniciales (en el rango 3-6 M ) como con distintos par´ametros de overshooting. Seguidamente, analizamos estos resultados te´oricos para trazar una conexi´on entre las abundancias superficiales y los diferentes procesos f´ısicos que se dan en las capas m´as profundas de las estrellas AGB. Finalmente, comparamos nuestros resultados con los de otros c´odigos de nucleos´ıntesis de s-process conocidos. Al hacerlo, encontramos un acuerdo razonable con al menos uno de ellos (en concreto, los de la versi´on MONASH del Mount Stromlo Stellar Structure Program), precisamente los modelos de nucleos´ıntesis que mejor explican la limitada informaci´on observacional (abundancias de Rb, Zr) de la que se dispone hasta la fecha. Con esta comparaci´on concluimos que los modelos conjuntos de ATON y SNUPPAT parecen generar estrellas m´as calientes a la misma masa y con relativa baja eficiencia del tercer dragado. Este hecho nos obliga a incrementar la producci´on debida a la nucleos´ıntesis en las capas m´as internas para obtener resultados comparables en la superficie. Como consequencia de esto los modelos de SNUPPAT muestran, en general, signos de una mayor captura neutr´onica en las abundancias finales de la superficie estelar.