Effects of strongly quantizing magnetic field on outer crust of cold non-accreting neutron stars
Creators: name: Μαυρουδής, Ιωάννης Αθανασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Αστέρας νετρονίων
Εξωτερικός φλοιός
Κβάντωση Landau
Neutron star
Outer crust
Landau quantization

description: Several fields of physics are involved in the study of the properties of the outer crust of neutron stars, for example, nuclear physics, general relativity, condensed matter physics and theory of elasticity. So, the crust is an astrophysical laboratory with conditions that cannot be achieved in a terrestrial laboratory. Therefore, physical ideas and theories can be applied, but they are simultaneously limited by the astronomical observations. In the present thesis, the model developed in the classical paper of Baym, Pethick and Sutherland is adopted to study the properties of outer crust of cold non-accreting neutron stars, where each crustal layer consists of a body-centered cubic crystal lattice made of a single nuclear species, embedded in an electron gas, distinguishing two cases: a) absence of magnetic field and b) presence of strongly quantizing magnetic field. In both cases, experimentally measured nuclear masses from AME2020 are used, supplemented with theoretically predicted masses for the experimentally unknown masses, whenever necessary. For this purpose, nine different models are employed, which are: 1) the Semi-Empirical Mass Formula (SEMF) of Bethe and Weizsäcker, 2) the FRDM (2012), 3) the WS4RBF, 4) the BSkG3, 5) the HFB-31, 6) the DD-MEδ, 7) the DD-PC1, 8) the SV-min, and 9) the UNEDF0 nuclear mass model. Among the properties of outer crust that are investigated for different magnetic field strengths are: 1) the Equation of State (i.e., the pressure as a function of density) for which a polytrope is fitted, 2) the composition (i.e., the stratification of the crust), 3) the adiabatic index, 4) the speed of sound, 5) the compression elastic modulus, the effective shear elastic modulus and the ratio of effective shear modulus to compression modulus as a function of density, 6) the mass and the thickness of outer crust, solving the TOV equations, and 7) the abundances of nuclei present in the crust. Thus, comparing the results, we can conclude if the above properties are dependent on the magnetic field strength and the nuclear model used for the nuclear masses.
description: Αρκετοί τομείς της φυσικής εμπλέκονται στη μελέτη των ιδιοτήτων του εξωτερικού φλοιού των αστέρων νετρονίων, για παράδειγμα, πυρηνική φυσική, γενική σχετικότητα, φυσική συμπυκνωμένης ύλης και θεωρία ελαστικότητας. ΄Ετσι, ο φλοιός είναι ένα αστροφυσικό εργαστήριο με συνθήκες, οι οποίες δεν μπορούν να επιτευχθούν σε ένα γήινο εργαστήριο. Συνεπώς, ιδέες και θεωρίες της φυσικής μπορούν να εφαρμοστούν, αλλά ταυτόχρονα περιορίζονται από τις αστρονομικές παρατηρήσεις. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, το μοντέλο που αναπτύχθηκε στην κλασσική εργασία των Baym, Pethick και Sutherland υιοθετείται για τη μελέτη των ιδιοτήτων του εξωτερικού φλοιού ψυχρών μη-προσαυξανόμενων αστέρων νετρονίων, όπου κάθε στρώμα του φλοιού αποτελείται από ένα ενδοκεντρωμένο κυβικό κρυσταλλικό πλέγμα δομημένο από ενός είδους νουκλίδιο, εμβαπτισμένο σε ένα αέριο ηλεκτρονίων, διακρίνοντας δύο περιπτώσεις: α) απουσία μαγνητικού πεδίου και β) παρουσία ισχυρά κβαντισμένου μαγνητικού πεδίου. Και στις δύο περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται πειραματικά μετρούμενες πυρηνικές μάζες από την AME2020, με τη συμπλήρωση θεωρητικά προβλεπόμενων μαζών για τις πειραματικά άγνωστες μάζες, όποτε αυτό είναι απαραίτητο. Για τον σκοπό αυτό, γίνεται χρήση εννέα διαφορετικών μοντέλων, τα οποία είναι: 1) ο ημιεμπειρικός τύπος μάζας (SEMF) των Bethe και Weizsäcker, 2) το FRDM (2012), 3) το WS4RBF, 4) το BSkG3, 5) το HFB-31, 6) το DD-MEδ, 7) το DD-PC1, 8) το SV-min, και 9) το UNEDF0 μοντέλο πυρηνικών μαζών. Μεταξύ των ιδιοτήτων του εξωτερικού φλοιού που διερευνώνται για διάφορες εντάσεις μαγνητικού πεδίου είναι: 1) η καταστατική εξίσωση (πίεση ως συνάρτηση της πυκνότητας), για την οποία προσαρμόζεται ένα πολύτροπο, 2) η σύσταση (διαστρωμάτωση) του φλοιού, 3) ο αδιαβατικός δείκτης, 4) η ταχύτητα του ήχου, 5) το μέτρο ελαστικότητας συμπίεσης, το δραστικό μέτρο ελαστικότητας διάτμησης και ο λόγος του δραστικού μέτρου διάτμησης προς το μέτρο συμπίεσης ως συνάρτηση της πυκνότητας, 6) η μάζα και το πάχος του εξωτερικού φλοιού, λύνοντας τις εξισώσεις TOV, και 7) η αφθονία των πυρήνων που βρίσκονται στον φλοιό. Οπότε, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα, μπορούμε να συμπεράνουμε εάν οι παραπάνω ιδιότητες είναι εξαρτώμενες από την ένταση του μαγνητικού πεδίου και από το πυρηνικό μοντέλο που χρησιμοποιείται για τις πυρηνικές μάζες.