This thesis presents a study of the chemical evolution of the two most important short-lived radioactive isotopes (SLRs), 26Al and 60Fe, with the aim of analysing the recent evolution of the Milky Way and the Local Group, in particular by analysing the nucleosynthesis production sites of these isotopes and constraining the observations already available and those to come. An element is radioactive when it decays into another element at a specific decay time that, being a nuclear property, is not influenced by its environment. This decay time can range from infinitesimal fractions of a second to times longer than the current age of the Universe. Chemical evolution studies how chemical abundances evolve over time and space in galaxies with the aim of reproducing them to constrain the fundamental parameters that drive the evolution of a galaxy. Although the origin and formation of the elements has been extensively investigated, some questions remain unresolved. Among these, SLRs have been scarcely explored even though, being characterised by half-lives on the order of millions of years, they could represent the perfect tracer of the phenomena that the Galaxy has experienced in its recent history. 26Al and 60Fe, believed to be mainly produced by massive stars (M>8 M_Sun) and observed in the Milky Way by the COMPTEL and INTEGRAL instruments, have been used as tracers of active star-forming regions. However, it is still unclear whether nova systems also contribute to the current abundance of $^{26}$Al (and if they do, how much), and on the other hand, observations of 26Al are poorly constrained. Moreover, 60Fe presents an equally difficult challenge, because although there is consensus on production sites, the available observations are affected by even larger error bars. Chemical evolution can in principle solve these problems. The aim of this Thesis is to elucidate the nucleosynthesis of 26Al and 60Fe, with a focus on solving the problem of 26Al production by nova systems. A better understanding of their production opens up the possibility of improving current observations of 26Al and 60Fe in the Milky Way from a theoretical point of view. Furthermore, it is possible to make predictions on the content of 26Al and 60Fe in the Local Group, in view of a new dedicated instrument, currently under development. First, the best yields for the study of 26Al and 60Fe were identified through an initial comparison between the theoretical results of the 1D chemical evolution model and the observations. What emerges is the need to include novae in the production of 26Al in order to reproduce the observations in the Milky Way. As a second step, the Milky Way model was refined by introducing a second dimension into the chemical evolution model. This second study further confirmed the importance of the role played by novae. Not only is their production crucial for reproducing the observed 26Al, but the existence of two different populations of novae, bulge and disc, is confirmed. In a third step, the chemical evolution of the Large Magellanic Cloud is presented. In 2027, a new instrument, COSI-SMEX, designed to observe 26Al and 60Fe also in the Large Magellanic Cloud, is scheduled to be launched. Unfortunately, it is not yet possible to know whether or not COSI will be able to detect them because there is still no theoretical estimate of these elements in the Large Cloud. In this third study, this estimate is presented for the first time, from which it is concluded that 26Al in the Large Magellanic Cloud will be observable in the near future, while 60Fe will not.
In questa tesi viene presentato uno studio sull'evoluzione chimica dei due isotopi radioattivi a vita breve (SLR) più importanti, 26Al e 60Fe, con lo scopo di analizzare l'evoluzione recente della Via Lattea e del Gruppo Locale, in particolare analizzando i siti di produzione della nucleosintesi di questi isotopi e vincolando le osservazioni già disponibili e quelle future. Un elemento è radioattivo quando decade in un altro elemento, in un tempo di decadimento specifico che, essendo una proprietà nucleare, non è influenzato dall'ambiente circostante. Tale tempo di decadimento può andare da frazioni infinitesimali di secondo a tempi più lunghi dell'età attuale dell'Universo. L'evoluzione chimica studia come le abbondanze chimiche evolvono nel tempo e nello spazio nelle galassie con lo scopo di riprodurle per vincolare i parametri fondamentali che guidano l'evoluzione di una galassia. Anche se l'origine e la formazione degli elementi è stata ampiamente indagata, alcune questioni rimangono irrisolte. Tra queste, gli SLR sono stati scarsamente esplorati anche se, essendo caratterizzati da emivite dell'ordine dei milioni di anni, potrebbero rappresentare il perfetto tracciante dei fenomeni che la Galassia ha vissuto nella sua storia recente. 26Al e 60Fe, che si ritiene siano prodotti principalmente da stelle massicce (M>8 M_Sun) e che sono stati osservati nella Via Lattea dagli strumenti COMPTEL e INTEGRAL sono stati utilizzati come traccianti delle regioni di formazione stellare attiva. Tuttavia, non è ancora chiaro se anche i sistemi di nova contribuiscano all'attuale abbondanza di $^{26}$Al (e nel caso in cui lo facciano, quanto), e d'altra parte le osservazioni di 26Al sono scarsamente vincolate. Inoltre, 60Fe rappresenta una sfida altrettanto difficile, perché sebbene vi sia consenso sui siti di produzione, le osservazioni disponibili sono affette da barre di errore ancora più grandi. L'evoluzione chimica può in linea di principio risolvere questi problemi. L'obiettivo di questa Tesi è quello di chiarire la nucleosintesi di 26Al e 60Fe, con particolare attenzione alla risoluzione del problema della produzione di 26Al da parte dei sistemi di nova. Una migliore comprensione della loro produzione apre alla possibilità di migliorare le osservazioni attuali di 26Al e 60Fe nella Via Lattea dal punto di vista teorico. Inoltre, è possibile fare previsioni sul contenuto di 26Al e 60Fe nel Gruppo Locale, in vista di una nuovo strumento dedicato, attualmente in fase di sviluppo. Per prima cosa sono stati identificati i migliori yield per lo studio di 26Al e 60Fe tramite un primo confronto tra i risultati teorici del modello di evoluzione chimica 1D e le osservazioni. Ciò che emerge è la necessità di includere le novae nella produzione di 26Al per riprodurre le osservazioni nella Via Lattea. Come secondo passo, il modello della Via Lattea è stato perfezionato tramite l'introduzione di una seconda dimensione nel modello di evoluzione chimica. Questo secondo studio ha confermato ancora di più l'importanza del ruolo svolto dalle novae. Non solo la loro produzione è fondamentale per riprodurre l'26Al osservato, ma viene confermata l'esistenza di due diverse popolazioni di novae, bulge e disco. In una terza fase, viene presentata l'evoluzione chimica della Grande Nube di Magellano. Nel 2027 è previsto il lancio di un nuovo strumento, COSI-SMEX, progettato per osservare 26Al e 60Fe anche nella Grande Nube di Magellano. Purtroppo non è ancora possibile sapere se COSI sarà o meno in grado di rilevarli perchè non esiste ancora una stima teorica di questi elementi nella Grande Nube. In questo terzo studio viene presentata questa stima per la prima volta, da cui si conclude che 26Al nella Grande Nube di Magellano sarà osservabile nel prossimo futuro, mentre 60Fe non lo sarà.
Evoluzione Chimica di Elementi Radioattivi a vita breve nelle galassie / Vasini, Arianna. - (2025 Jan 30).
Evoluzione Chimica di Elementi Radioattivi a vita breve nelle galassie
VASINI, ARIANNA
2025-01-30
Abstract
This thesis presents a study of the chemical evolution of the two most important short-lived radioactive isotopes (SLRs), 26Al and 60Fe, with the aim of analysing the recent evolution of the Milky Way and the Local Group, in particular by analysing the nucleosynthesis production sites of these isotopes and constraining the observations already available and those to come. An element is radioactive when it decays into another element at a specific decay time that, being a nuclear property, is not influenced by its environment. This decay time can range from infinitesimal fractions of a second to times longer than the current age of the Universe. Chemical evolution studies how chemical abundances evolve over time and space in galaxies with the aim of reproducing them to constrain the fundamental parameters that drive the evolution of a galaxy. Although the origin and formation of the elements has been extensively investigated, some questions remain unresolved. Among these, SLRs have been scarcely explored even though, being characterised by half-lives on the order of millions of years, they could represent the perfect tracer of the phenomena that the Galaxy has experienced in its recent history. 26Al and 60Fe, believed to be mainly produced by massive stars (M>8 M_Sun) and observed in the Milky Way by the COMPTEL and INTEGRAL instruments, have been used as tracers of active star-forming regions. However, it is still unclear whether nova systems also contribute to the current abundance of $^{26}$Al (and if they do, how much), and on the other hand, observations of 26Al are poorly constrained. Moreover, 60Fe presents an equally difficult challenge, because although there is consensus on production sites, the available observations are affected by even larger error bars. Chemical evolution can in principle solve these problems. The aim of this Thesis is to elucidate the nucleosynthesis of 26Al and 60Fe, with a focus on solving the problem of 26Al production by nova systems. A better understanding of their production opens up the possibility of improving current observations of 26Al and 60Fe in the Milky Way from a theoretical point of view. Furthermore, it is possible to make predictions on the content of 26Al and 60Fe in the Local Group, in view of a new dedicated instrument, currently under development. First, the best yields for the study of 26Al and 60Fe were identified through an initial comparison between the theoretical results of the 1D chemical evolution model and the observations. What emerges is the need to include novae in the production of 26Al in order to reproduce the observations in the Milky Way. As a second step, the Milky Way model was refined by introducing a second dimension into the chemical evolution model. This second study further confirmed the importance of the role played by novae. Not only is their production crucial for reproducing the observed 26Al, but the existence of two different populations of novae, bulge and disc, is confirmed. In a third step, the chemical evolution of the Large Magellanic Cloud is presented. In 2027, a new instrument, COSI-SMEX, designed to observe 26Al and 60Fe also in the Large Magellanic Cloud, is scheduled to be launched. Unfortunately, it is not yet possible to know whether or not COSI will be able to detect them because there is still no theoretical estimate of these elements in the Large Cloud. In this third study, this estimate is presented for the first time, from which it is concluded that 26Al in the Large Magellanic Cloud will be observable in the near future, while 60Fe will not.File | Dimensione | Formato | |
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