Assessing the consequences of hadron to quark phase transitions in static neutron stars
Creators: name: Δελούδης, Θεμιστοκλής Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Αστέρες νετρονίων
Υβριδικοί αστέρες
Δίδυμοι αστέρες
Neutron stars
Hybrid stars
Twin stars

description: Εν όψει των ανιχνεύσεων βαρυτικών κυμάτων οι οποίες συνεχώς αυξάνονται, οι συμπαγείς αστέρες έχουν εξελιχθεί σε αντικείμενο έντονου ενδιαφέροντος και έρευνας. Λόγος είναι ότι νέες πτυχές της ε- σωτερικής τους δομής έρχονται στο φως. ΄Οπως είναι γνωστό, η ολοένα και αυξανόμενη πυκνότητα στο εσωτερικό αυτών των αστέρων οδηγεί στην παρουσία στοιχειωδών σωματιδίων καθώς προσεγγίζου- με τους πυρήνες τους. Αυτή η αλλαγή στο υλικό του αστέρα από αδρόνια σε στοιχειώδη σωματίδια κωδικοποιείται μέσω μιας μετατροπής φάσης κοντά στον πυρήνα του συμπαγούς αστέρα. ΄Ενα σε- νάριο κατα το οποίο συμβαίνει μιας πρώτης τάξης μετατροπή έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς μπορεί να οδηγήσει, υπό συνθήκες, σε έναν τρίτο βαρυτικά ευσταθή κλάδο τελικών καταστάσεων (εκτός των λευκών νάνων και των αστέρων νετρονίων). Το σενάριο αυτό είναι γνωστό με το όνομα φαινόμενο των δίδυμων αστέρων. Ο νέος αυτός κλάδος διέπεται από αστέρες παρόμοιων μάζών όπως οι κανο- νικοί αστέρες νετρονίων αλλά με πολύ διαφορετικές ακτίνες. Στη παρούσα εργασία πραγματεύονται στατικοί υβριδικοί αστέρες κοντά στο κέντρο των οποίων συμβαίνει μια μετατροπή φάσης από ύλη αδρονίων σε ύλη κουαρκ, με ιδιαίτερη έμφαση στο τρόπο με τον οποίο ο προαναφερθείς νέος κλάδος προκύπτει. Η μοντελοποίηση των εξωτερικών φλοιών του αστέρα επετεύχθη μέσω της παραμετροποίη- σης APR+MDI. Η επιλογή του συγκεκριμένου μοντέλου σχετίζεται με την επιβεβαιωμένη αξιοπιστία των αποτελεσμάτων του όπως φαίνεται από σχετικές δημοσιεύσεις. Η αναλυτική περιγραφή είναι το αντικείμενο του δεύτερου κεφαλαίου, το οποίο έπεται της εισαγωγής. Εν συνεχεία, προχωρούμε στη παρουσίαση της παραμετροποίησης της μετατροπής φάσης. Η μετροπή φάσης από αδρόνια σε ελεύθερα κουαρκ μπορεί να μοντελοποιηθεί είτε ως απότομη, γνωστή και ως κατασκευή Maxwell (Maxwell Con- struction, MC) είτε ως ομαλή (μη απότομη) γνωστή ως κατασκευή Gibbs (Gibbs Construction, GC). Ενώ σε κάθε περίπτωση η περιγραφή βασίζεται σε μια πολυτροπική καταστατική εξίσωση, οι δρόμοι που ακολουθούνται σε κάθε κατασκευή είναι πολύ διαφορετικοί οδηγώντας σε εντελώς διαφορετικά αποτελέσματα τόσο στη σύσταση του αστέρα όσο και στα φυσικά χαρακτηριστικά του. Επιπλέον, διαφορετικοί φυσικοί περιορισμοί εισάγονται κατά την παραμετροποίηση του αστέρα στη κάθε κατα- σκευή. Η σχετική ανάλυση παρατίθεται στο κεφάλαιο τρία. ΄Οσων αφορά τον πυρήνα του αστέρα, η ευρέως διαδεδομένη υπόθεση περί σταθερής ταχύτητας του ήχου εντός της ύλης ελεύθερων κουάρκ υιοθετήθηκε στη μελέτη. Προσομοιώσεις μη περιστρεφόμενων αστέρων με τα παραπάνω χαρακτηρι- στικά έδωσαν αποτελέσματα για τη συσχέτιση μάζας και ακτίνας τους. Η μελέτη εκπονήθηκε με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι εμφανείς οι συνέπειες κάθε ελεύθερης παραμέτρου στη σχέση μάζας - ακτίνας αλ- λά παράλληλα να εμφανίζεται, έστω και οριακά, το φαινόμενο των δίδυμων αστέρων. Παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματά στο τέταρτο κεφάλαιο της εργασίας. Κλείνοντας με το κύριο μέρος της εργασίας, συνοψίζονται τα ποσοτικά ευρήματα της μελέτης ενώ παράλληλα παρατίθενται προτάσεις για περεταίρω βελτίωση στα πλαίσια μιας βαθύτερης σπουδής του θέματος. Τα τρία παραρτήματα τα οποία βρίσκονται στο τέλος του εγγράφου εστιάζουν σε μια εναλλακτική μαθηματική προσέγγιση της συνολικής κατασκευής του αστέρα, στην ειδική συνθήκη για εμφάνιση του φαινομένου των δίδυμων αστέρων η οποία εμφανίζεται στη περίπτωση κατασευής Maxwell (Maxwell Construction, MC) και στους υπολογιστικούς κώδικες που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή αριθμητικών δεδομένων.
description: In view of the gravitational-wave events which are constantly increasing, compact stars have become object of even greater interest and study. Reason is that new aspects of their internal structure have come to light. As it is known, the increasing density and pressure in the interior of these stars lead to the presence of elementary particles as we approach their cores. This change in the stellar matter from hadrons to elementary particles is encoded through a phase transition near the core of the compact star. A scenario in which a first order transition takes place is of particular interest as it can lead, under conditions, to a third gravitationally stable branch of final states (besides white dwarfs and neutron stars). This is known as the twin star scenario. The new branch yields stars with the same mass as normal compact stars but quite different radii. In this work, static hybrid stars undergone a hadron to quark phase transition near their core are claimed, with partic- ular emphasis on how the aforementioned new stable configuration arises. The formulation of the outer layers of the star was achieved with the APR+MDI parametrization. This selection is related with the confirmed reliability of its results as it shown in relevant works. Detailed description is the objective of the second chapter, which follows the introduction. Subsequently, we proceed to present the phase transition parametrization. Hadron to deconfined quark phase transition can be formulated as sharp, known as Maxwell Construction (MC) or as a non sharp, known as Gibbs Construction (GC). While in every case the description is based on a polytropic equation of state, quite different paths are followed in each construction resulting in fairly different results considering both the composition and physical properties of the star. Moreover, different physical constraints are induced by the parametrization of the star in each construction. Relevant analysis is cited in chapter three. As far as the stellar core is concerned, the common constant speed of sound assump- tion throughout the deconfined quark phase is applied. Simulations of non rotating stars under the aforementioned assertions resulted in finding of mass - radius relations. The study was realized in a way that the impact of every free parameter in mass - radius correlation is apparent, alongside giving twin star configuration, even barely. These results are presented and examined in chapter four. Closing the main part of the thesis, summarized are quantitative findings alongside citing possible ameliorations in the framework of a deeper study. The three appendices at the end of the transcript focus on an alternative mathematical description of the star, the specific constraint in order for the twin phenomenon to occur in Maxwell construction and the computational codes used on extracting numerical data, respectively.