Effects of strong magnetic fields on the crust and entrainment in neutron stars

Abstract

Os pulsares são estrelas de neutrões magnetizadas que rodam a taxas excecionalmente estáveis. No entanto, pulsares mais jovens sofrem eventos esporádicos, conhecidos por glitches, em que a frequência de rotação aumenta de forma súbita, para de seguida decrescer gradualmente. Acredita-se que os glitches resultam de uma transferência de momento angular entre a crosta e superfluidos no interior da estrela. No entanto, a crosta poderá não ser capaz de armazenar a quantidade do momento de inércia necessária para validar este modelo. Campos magnéticos fortes afectam significativamente as propriedades das estrelas de neutrões, o que pode indicar terem um papel relevante no mecanismo dos glitches. Contudo, são necessários campos excecionalmente elevados, da ordem de 10^18 G, para se observarem alterações na equação de estado da matéria estelar. Como consequência, estes efeitos não são tidos em conta em cálculos da magnetohidrodinâmica das estrelas. No entanto, verificou-se recentemente que poderá existir um efeito na equação de estado da crosta que, na presença de um campo magnético forte, se traduz num aumento da extensão da mesma. O objetivo deste projeto é estudar os efeitos do campo magnético na equação de estado da matéria estelar, em particular aqueles que afetem diretamente os glitches de pulsares. São analisados dois problemas: Quão forte deve ser o campo magnético para que tenha um efeito significativo nas dimensões da crosta?; Como é que o campo magnético afeta o entrainment entre os neutrões superfluidos e a crosta? Para a primeira questão, usamos o método da spinodal dinâmica para determinar o tamanho da crosta sob campos magnéticos fortes. Para a segunda questão, estudamos o efeito do campo magnético na matriz de entrainment relativístico, para uma mistura de protões e neutrões, no contexto da teoria de Landau-Fermi para líquidos relativistas, generalizada de modo a incluir superfluidez.

Pulsars are magnetized neutron start that rotate at exceptionally stable rates. Nevertheless, younger pulsars exhibit sporadic events called glitches, in which the rotation frequency suddenly increases and then steadily decreases. It is believed that the glitches are a consequence of angular momentum transfer between the crust and superfluids in the star's interior. The crust, however, may not be able to store enough momentum of inertia to validate this model. Magnetic fields of high intensity significantly affect the properties of neutron stars, which may indicate they play a role in the glitch mechanism. However, their intensity must be of the order of 10^18 G to significantly alter the equation of state of stellar matter. As a result, such effects are not usually considered when performing magnetohydrodynamic calculations in stars. Recently, however, a possible effect on the crust's equation of state has been discovered which, under a strong magnetic field, results in the increase of the crust's extension. The goal of this thesis is to study the effects of magnetic fields on the stellar matter's equation of state, particularly those that are most directly related to pulsar glitches. We analyze two problems: How strong must a magnetic field be to significantly alter the crust's dimensions?; How does the magnetic field affect the entrainment between superfluid neutrons and the crust? For the first problem, we use the dynamical spinodal method in order to determine the crust's size under strong magnetic fields. For the second, we study the effect of the magnetic field on the relativistic entrainment matrix for a mixture of protons and neutrons, using a relativistic Landau Fermi liquid theory, generalized to include superfluidity.