Hydrodynamic models of accretion onto rotating compact stars
Authors:   , Martín Rodríguez José David 
Published: March 2024

(English) Hydrodynamic models are essential for our understanding of the physics of stellar explosions, and specifically, for their potential contribution to the Galactic chemical abundances.
In this Work, a one-dimensional (spherically symmetric), hydrodynamic code, in Lagrangian formulation (SHIVA code), built originally to model classical nova outbursts (José and Hernanz 1998; Jose 2016), has been improved both computationally, with its parallelization (Martin, Jose, and Longland 2018 and Appendix A), and physically with the addition of rotation. These improvements allow us to present here the first models of X-ray bursts that include accretion, convection, nucleosynthesis, and rotation simultaneously and self-consistently.
Rotation is traditionally implemented in 1D codes by adopting three reasonable assumptions: 1) Shellular rotation (angular velocity ¿ and chemical composition constant on an isobar); 2) Roche approximation (i.e. mass strongly centrally concentrated); and 3) Equivalent volumes (the rotating ellipsoid is approximated by a sphere of the same volume). The instabilities induced by rotation are treated by the equation of transport of angular momentum by meridional circulation, turbulent horizontal diffusivity, and gradients of the mean molecular weight µ. This equation has been extended to also account for expansion and contraction in non-stationary models.
In this PhD Thesis, we investigate the effects of rotation on the properties of Xray bursts. Our calculations confirmed the pressure-lifting effect caused by rotation as well as the significant photospheric expansion growth with the increase of the angular velocity. Moreover, rotation has also an effect on several observables of type I X-ray bursts: the lightcurves and the associated nucleosynthesis. Models with larger rotational velocities result in larger duration lightcurves, with notoriously different shape. Rotation also reduces the recurrence times between bursts. With respected to the nucleosynthesis produced in type I X-ray bursts, all models reported on this thesis show a similar abundance pattern after each burst, dominated by the presence of intermediate-mass elements (i.e., 32S, 60Ni, 64Zn). The most noticeable difference seen is the amount of unburned fuel (1H and 4He), leftover after the bursting sequence, which depends on the specific rotational velocity adopted.
(Català) Els models hidrodinàmics són essencials per a la nostra comprensió de la física de les explosions estel·lars, i concretament, per la seva contribució potencial a les abundàncies químiques galàctiques.
En aquest treball, un codi hidrodinàmic unidimensional (en simetria esfèrica), en formulació lagrangiana (codi SHIVA), construït originalment per a modelar explosions de noves clàssiques (José i Hernanz 1998; Jose 2016), s'ha millorat tant computacionalment, amb la seva paral·lelització (Martin, Jose i Longland 2018 i apèndix A), com físicament amb l'addició de la rotació. Aquestes millores ens permeten presentar aquí els primers models de explosions de raigs X que inclouen acreció, convecció, nucleosíntesi i rotació de manera simultània i autoconsistent.
La rotació s'implementa tradicionalment en codis 1D adoptant tres hipòtesis: 1) Rotació 'shellular' (velocitat angular O i composició química constant en una isòbara); 2) Aproximació de Roche (és a dir, massa fortament concentrada centralment); i 3) Volums equivalents (l'el·lipsoide en rotació s'aproxima mitjançant una esfera del mateix volum). Les inestabilitats induïdes per la rotació són tractades per mitjà de l'equació de transport del moment angular per circulació meridional, difusivitat horitzontal turbulenta i gradients del pes molecular mitjà µ. Aquesta equació s'ha ampliat per a tenir en compte també l'expansió i la contracció en models no estacionaris.
En aquesta tesi doctoral, investiguem els efectes de la rotació sobre les propietats de les fonts eruptives de raigs-X o X-ray bursts. Els nostres càlculs confirmen l'efecte de lifting causat per la rotació així com l'important creixement de l'expansió fotosfèrica amb l'augment de la velocitat angular. A més, la rotació també té efecte en diversos observables dels X-ray bursts: les corbes de llum i la nucleosíntesi associada. Models amb velocitats de rotació més grans donen lloc a corbes de llum de major durada, amb formes significativament diferents. La rotació també redueix els temps de recurrència entre erupcions. Respecte a la nucleosíntesi produïda en X-ray bursts de tipus I, tots els models estudiats mostren un patró d'abundàncies químiques similar després de cada erupció, dominat per la presència d'elements de massa intermèdia (és a dir, 32S, 60Ni, 64Zn). La diferència més notable és la quantitat de combustible no cremat (1H i 4He) després de la seqüència d'explosions, que depèn de la velocitat de rotació específica adoptada.