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Modeling of Silicon Burning during late stages of Stellar Evolution

Michel, Aron

German Title: Modellierung von Siliziumbrennen während späten Phasen der Sternentwicklung

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Abstract

Recent studies with parametrized initial conditions have shown that perturbations in the flow pattern of the progenitor might be a crucial ingredient to enable more robust explosions in three-dimensional (3D) simulations of core-collapse supernovae. Those perturbations naturally develop during the hydrostatic silicon and oxygen burning phases in a star. However, the impact of perturbations in the progenitor on the dynamics of the core-collapse supernova largely depends on their magnitude and spatial scale. Accurate modeling of the progenitor is therefore necessary to obtain a realistic initial model.

In this work we present the first 3D simulations of silicon burning in full 4pi solid angle. In contrast to previous work, we use the native electron capture rates on 56Fe. With our 3D simulation we managed to cover 154.41 s with 3.9×10^6 core-hours, which is still rather CPU-intensive. Future improvements, which would reduce the required computational resources, are discussed in the thesis. For the 3D simulations in this thesis, we use a standard Poisson gravity solver on a Cartesian grid, which was developed and implemented during the course of the thesis. Additionally, we implemented different methods for solving Poisson’s equation, which also work for curvilinear grids and scale to a large number of processors.

Translation of abstract (German)

Aktuelle Studien mit parametrisierten Anfangsbedingungen haben gezeigt, dass Störungen im Strömungsmuster des Vorgängersterns eine wesentliche Zutat sein könnten, um zuverlässigere Explosionen in dreidimensionalen (3D) Simulationen von Kernkollaps- Supernovae zu ermöglichen. Diese Störungen entstehen auf natürliche Weise während den hydrostatischen Silizium und Sauerstoff Brennphasen in einem Stern. Der Einfluss von Störungen im Vorgängerstern auf die Dynamik der Kernkollaps-Supernova hängt ausschlaggebend von deren Stärke und dem räumlichen Ausmaß ab. Genaue Modellierung des Vorgängersterns ist daher notwendig, um ein realistische Anfangsmodell zu erhalten.

In dieser Arbeit präsentieren wir die ersten 3D Simulationen von Siliziumbrennen im vollen 4pi Raumwinkel. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten, verwenden wir die tatsächlichen Raten für Elektroneneinfänge auf 56Fe. Mit unseren 3D Simulationen haben wir es geschafft, 154.41 s mit 3.9 ×10^6 CPU Stunden zu simulieren, was immer noch recht rechenaufwändig ist. Zukünftige Verbesserungen, wodurch die benötigten Computer- Ressourcen reduziert werden können, werden in dieser Arbeit diskutiert. Für die 3D Simulationen in dieser Arbeit haben wir einen standardmäßigen Poisson Gravitations- Löser auf einem kartesischen Gitter verwendet, welcher während dieser Arbeit entwickelt und implementiert wurde. Außerdem wurden unterschiedliche Methoden zur Lösung der Poisson-Gleichung implementiert, die auch auf krummlinigen Gittern funktionieren und auf eine große Anzahl Prozessoren skalieren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Röpke, Prof. Dr. Friedrich
Date of thesis defense: 9 January 2019
Date Deposited: 01 Feb 2019 07:36
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Controlled Keywords: Sternentwicklung, Numerische Strömungsmechanik, Gravitationskollaps
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