Nucleosynthesis from first generations of massive stars: spinstars and CNO elements origin in the early universe

Abstract

The first stars, known as Population III stars, played a crucial role in the early evolution of the Universe by driving cosmic reionization and enriching the intergalactic medium with heavy elements such as carbon, nitrogen, oxygen, and fluorine. These elements are essential for the formation of subsequent generations of stars, planets, and galaxies. Understanding how Population III stars synthesized these elements is key to tracing the origins of chemical diversity in the Universe. This thesis investigates the nucleosynthesis of light elements, particularly CNO elements and fluorine, in rapidly rotating massive Population III stars. By utilizing advanced stellar evolution models generated by the Geneva stellar evolution code (Genec), we explore how rotational effects influence stellar yields and their contribution to the chemical enrichment of the Universe. Rotation induces mixing between H- and He-burning zones in low-metallicity stars, opening pathways for the primary production of elements such as 13C, 14N, 19F, and 22Ne. Our investigation reveals that increased initial rotation enhances this mixing, but it remains efficient only below a metallicity of about 0.0004 for stars with a rotational velocity on the zero-age main sequence equal to or larger than 40% of the critical one. These models have been used to predict the evolution of nitrogen abundances in the Galactic halo, as well as the evolution of fluorine during the early phases of galactic evolution. Our results confirm the critical role of rotational mixing in explaining observed nitrogen and fluorine abundances at low metallicity. Note that the present computations use different diffusion coefficients than previous models computed for rotating Population III stars with Genec. Furthermore, we explore the impact of rotational mixing on the high N/O ratios observed in certain high-redshift galaxies. Our models suggest that rapidly rotating massive stars in starburst regions could increase the N/O ratio to values around -0.22, consistent with some observations in distant galaxies. Lastly, this thesis revisits the origin of fluorine in massive stars. We evaluate whether fluorine abundances observed at the surface of red supergiants can be reproduced by our models. Additionally, we propose measuring the surface fluorine abundance in early WC stars (a type of Wolf-Rayet stars showing at the surface products of core He-burning) to verify whether the nuclear processes responsible for fluorine production during core He-burning occur in real stars. This study also highlights the significant role of rotational effects in enhancing fluorine synthesis in rapidly rotating, metal-poor stars, and examines the role of supernovae in dispersing fluorine, providing a comprehensive view of its production throughout cosmic history.

Οι πρώτα αστέρια, γνωστά ως αστέρια Πληθυσμού III, διαδραμάτισαν καθοριστικό ρόλο στην πρώιμη εξέλιξη του Σύμπαντος, προκαλώντας την κοσμική επαναϊονισμοποίηση και εμπλουτίζοντας το διαγαλαξιακό μέσο με βαρέα στοιχεία όπως ο άνθρακας, το άζωτο, το οξυγόνο και το φθόριο. Αυτά τα στοιχεία είναι απαραίτητα για τον σχηματισμό των επόμενων γενεών άστρων, πλανητών και γαλαξιών. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα άστρα Πληθυσμού III σύνθεσαν αυτά τα στοιχεία είναι κρίσιμη για την ανίχνευση της προέλευσης της χημικής ποικιλομορφίας στο Σύμπαν. Η παρούσα διατριβή μελετά τη νουκλεοσύνθεση ελαφρών στοιχείων, και συγκεκριμένα των στοιχείων CNO και του φθορίου, σε ταχέως περιστρεφόμενα μεγάλης μάζας άστρα Πληθυσμού III. Χρησιμοποιώντας προηγμένα μοντέλα αστρικής εξέλιξης που παράγονται με τον κώδικα αστρικής εξέλιξης της Γενεύης (Genec), διερευνούμε πώς οι επιδράσεις της περιστροφής επηρεάζουν τις αποδόσεις των άστρων και τη συμβολή τους στον χημικό εμπλουτισμό του Σύμπαντος. Η περιστροφή προκαλεί ανάμιξη μεταξύ των περιοχών καύσης H- και He- σε άστρα χαμηλής μεταλλικότητας, ανοίγοντας διαύλους για την πρωτογενή παραγωγή στοιχείων όπως 13C, 14N, 19F, και 22Ne. Η μελέτη μας δείχνει ότι η αυξημένη αρχική περιστροφή ενισχύει αυτή την ανάμιξη, αλλά η απόδοσή της παραμένει σημαντική μόνο κάτω από μεταλλικότητα περίπου 0.0004, για άστρα με ταχύτητα περιστροφής στη μηδενική ηλικία της κύριας ακολουθίας ίση ή μεγαλύτερη του 40% της κρίσιμης. Αυτά τα μοντέλα έχουν χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της εξέλιξης των αφθονιών αζώτου στον Γαλαξιακό άλω, καθώς και της εξέλιξης του φθορίου στις πρώιμες φάσεις της γαλαξιακής εξέλιξης. Τα αποτελέσματά μας επιβεβαιώνουν τον κρίσιμο ρόλο της ανάμιξης λόγω περιστροφής στην ερμηνεία των παρατηρούμενων αφθονιών αζώτου και φθορίου σε χαμηλή μεταλλικότητα. Σημειώνεται ότι οι παρούσες υπολογιστικές προσομοιώσεις χρησιμοποιούν διαφορετικούς συντελεστές διάχυσης σε σύγκριση με προηγούμενα μοντέλα για περιστρεφόμενα άστρα Πληθυσμού III με τον κώδικα Genec. Επιπλέον, διερευνούμε την επίδραση της περιστροφικής ανάμιξης στις υψηλές τιμές λόγου Ν/Ο που παρατηρούνται σε ορισμένους γαλαξίες υψηλής μετατόπισης προς το ερυθρό. Τα μοντέλα μας δείχνουν ότι ταχέως περιστρεφόμενα, μεγάλης μάζας άστρα σε περιοχές αστρικών εκρήξεων (starbursts) μπορούν να αυξήσουν τον λόγο Ν/Ο σε τιμές γύρω στο -0.22, συμβατές με ορισμένες παρατηρήσεις σε μακρινούς γαλαξίες. Τέλος, η διατριβή επανεξετάζει την προέλευση του φθορίου σε άστρα μεγάλης μάζας. Αξιολογούμε κατά πόσον οι αφθονίες φθορίου που παρατηρούνται στην επιφάνεια υπεργιγάντων ερυθρών αστέρων μπορούν να αναπαραχθούν από τα μοντέλα μας. Επιπλέον, προτείνουμε τη μέτρηση της επιφανειακής αφθονίας φθορίου σε πρώιμα αστέρια WC (τύπος άστρων Wolf–Rayet που εμφανίζουν στην επιφάνειά τους προϊόντα της καύσης ηλίου στον πυρήνα), ώστε να επαληθευτεί αν οι πυρηνικές διεργασίες που ευθύνονται για την παραγωγή φθορίου κατά την καύση ηλίου στον πυρήνα λαμβάνουν χώρα και σε πραγματικά άστρα. Η παρούσα μελέτη αναδεικνύει επίσης τον σημαντικό ρόλο των επιδράσεων της περιστροφής στην ενίσχυση της σύνθεσης φθορίου σε ταχέως περιστρεφόμενα άστρα χαμηλής μεταλλικότητας, και εξετάζει τον ρόλο των υπερκαινοφανών στην εκτόξευσή του στο μεσοαστρικό μέσο, προσφέροντας μια ολοκληρωμένη εικόνα της παραγωγής του σε κοσμική κλίμακα.