German Title: Explosionen von weißen Zwergen nahe der Chandrasekhar-Masse als Modell für Typ Ia Supernovae und ihr Beitrag zur kosmischen Nukleosynthese

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Abstract

Although type Ia supernovae are widely applied as cosmological distance indicators and contribute significantly to the enrichment of the Universe with iron group elements, their physi- cal nature is not clear yet. The heterogeneous class of type Ia supernovae is divided into several subtypes according to their observational properties, and a whole variety of possible explosion scenarios has been put forward in order to explain these extraordinarily bright events. The focus of this work lies on the numerical modeling of explosions in Chandrasekhar mass carbon-oxygen white dwarfs as well as on the investigation of the nucleosynthesis yields of several explosion chan- nels. To this end, numerical simulations of the explosion, the propagation of radiation through the expanding debris, and the galactic chemical evolution of the Milky Way were conducted. It was found that, in line with earlier studies, deflagrations in Chandrasekhar mass white dwarfs are a viable model for type Iax supernovae, a subluminous subclass of type Ia supernovae. However, the parameter study employing different ignition conditions, central densities, metallicities, com- position and rigid rotation revealed that the very faint end of the subclass can not be reproduced. Furthermore, a set of gravitationally confined detonation simulations has been carried out. In this scenario an initial deflagration is followed by a detonation initiated near the surface of the white dwarf core. It could be shown that the synthetic observables do not agree with either normal or subluminous type Ia supernovae but that objects similar to SN 1991T might be explained by this explosion mechanism. Finally, the nucleosynthesis yields of various different explosion models were analyzed. This study shows that explosions in sub-Chandrasekhar mass white dwarfs with an accreted helium shell can contribute significantly to the abundance of manganese, zinc, and copper in the Universe and should be included in future galactic chemical evolution studies.

Translation of abstract (German)

Obwohl die Verwendung von Typ Ia Supernovae zur Messung kosmologischer Entfernungen weit verbreitet ist und sie erheblich zur Anreicherung des Universums mit Eisengrup- penelementen beitragen, ist ihr physikalischer Ursprung noch immer ungeklärt. Die heterogene Typ Ia Supernova Klasse ist basierend auf ihren optischen Eigenschaften in Unterklassen unterteilt und eine ganze Reihe an möglichen Szenarien wurden vorgeschlagen um diese außergewönlich hellen Ereignisse zu erklären. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der numerischen Modellierung von Ex- plosionen in weißen Zwergen bestehend aus Kohlenstoff und Sauerstoff nahe der Chandrasekhar- Masse sowie auf der Untersuchung der Nukleosyntheseprodukte verschiedenster Explosionsszenar- ien. Zu diesem Zweck wurden numerische Simulationen der Explosion, des Strahlungstransportes durch das ausgestoßene Material sowie der chemischen Entwicklung der Milchstraße durchgeführt. In Übereinstimmung mit vorhergegangenen Studien wurde herausgefunden, dass Deflagrationen in weißen Zwergen nahe der Chandrasekhar-Masse ein gutes Modell für Supernovae vom Typ Iax, eine dunkle Unterklasse der Typ Ia Supernovae, darstellen. Die Parameterstudie mit verschiede- nen Zündungskonfigurationen, Zentraldichten, Metallizitäten, Kompositionen und starr rotierenden Sternen macht jedoch deutlich, dass die dunkelsten Supernovae der Unterklasse nicht reproduziert werden können. Außerdem wurde eine Reihe an Simulationen des sogennanten “gravitationally confined detonation”-Szenarios durchgefürt. In diesem Modell folgt auf eine Deflagration eine Detonation, welche am Rand des gravitativ gebundenen Kerns zündet. Es wurde gezeigt, dass die berechneten Observablen nicht mit normalen oder dunklen Typ Ia Supernovae übereinstimmen. Objekte der überdurchschnittlich hellen Klasse benannt nach SN 1991T könnten allerdings durch diesen Mechanismus erklärt werden. Schließlich wurden die Produkte der Nukleosynthese von ver- schiedenen Explosionsmodellen analysiert. Diese Untersuchung zeigt, dass Explosionen in weißen Zwergen unterhalb der Chandrasekhar-Masse mit einer Schale aus akkretiertem Helium signifikant zur Häufigkeit der Elemente Mangan, Zink und Kupfer im Universum beitragen können und daher in zukünftigen Simulationen der chemischen Entwicklung des Universums berücksichtigt werden sollten.