Modelli Tridimensionali dell'Evoluzione Magnetica e Termica di Stelle di Neutroni

Neutron Stars (NSs) are the final state in the life of massive stars and get formed in a supernova event, when the collapse of the progenitor core is halted by the pressure of degenerate neutrons. As such, they are characterised by extremely high densities, comparable to the ones found in atomic nuclei, making them the most compact objects with a surface known in the Universe. One of their most distinctive traits is their extremely strong magnetic field, ranging from ≈ 10^8 to ≈ 10^15 G, that makes them also the most powerful magnets in the Universe. NSs are most often revealed through their pulsed radio emission, but the (faint) surface thermal emission given off as the star cools down has now been detected in the soft X-rays from a number of sources. Thermal radiation carries a wealth of information, bearing directly on the determination of the star age and radius. The study of the thermal evolution of NSs is therefore key in understanding the physics of NSs and is inherently interwoven with that of the star magnetic field. In fact, not only the magnetic field decay heats up the star, but the heat and current transport coefficients depend on both the temperature and magnetic field themselves. This Thesis investigates models of the coupled magneto-thermal evolution of NSs, addressing for the first time both the secular evolution and short-term phenomena within a three-dimensional numerical framework. Different field configurations with varying degrees of symmetry are studied in the long term, highlighting the different observational signatures they give rise to. Conversely, the study of transient phenomena is focused on the outbursts observed in magnetars, the most magnetised NSs. These are episodes of sudden flux enhancement, up to 1000 times the quiescent level, which last for months/years and can repeat from the same source. Outbursts are modelled as the unfolding of an episode of fast heat injection in a small crustal region, which is by its own nature an asymmetric situation. The novelty and relevance of this 3D approach in the interpretation of observations and with respect to the previous ones found in the literature, which relied on symmetry assumptions to reduce the dimensionality of the problem, is discussed

Le Stelle di Neutroni (NS) costituiscono lo stato finale della vita di stelle massive, e vengono prodotte quando il collasso di una supernova viene bloccato dalla pressione di degenerazione dei neutroni. Di conseguenza, esse sono caratterizzate da densità estremamente alte, comparabili a quelle dei nuclei atomici, che le rendono gli oggetti con superficie più compatti conosciuti nell’Universo. Uno dei tratti maggiormente distintivi è il loro campo magnetico estremamente intenso, ≈ 10^8 –10^15 G, che le rende anche i magneti più forti nell’Universo. Le NS sono rilevate tipicamente tramite la loro emissione radio pulsata, ma le loro (debole) emissione termica nei raggi X soffici è stata osservata in diverse sorgenti. L’emissione termica porta una varietà di informazioni, connesse direttamente alla determinazione dell’età e raggio della stella. Lo studio dell’evoluzione termica è quindi fondamentale per comprendere la fisica delle NS ed è inoltre collegato strettamente al campo magnetico. Infatti, non solo il campo magnetico decadendo scalda la stella, ma le proprietà di trasporto termico ed elettrico dipendono sia dalla temperatura che dal campo magnetico. Questa Tesi illustra modelli di evoluzione magneto-termica di NS descrivendone sia l’evoluzione secolare che quella a breve termine con un approccio numerico tridimensionale. Diverse configurazioni magnetiche con varî livelli di simmetria verranno studiate su lunghi periodi, evidenziando le caratteristiche osservative associabili a ciascuna di esse. Viceversa, lo studio dei fenomeni transienti sarà concentrato sugli episodi di outburst osservati da parte di alcune magnetar, le NS con il campo magnetico più intenso. Essi sono episodi di rapido innalzamento del flusso termico, fino a 1000 volte il livello di quiescenza, che durano mesi/anni e possono ripetersi dalla stessa sorgente. Gli outburst verranno studiati come lo sviluppo di episodi di iniezione rapida di calore in una zona localizzata della crosta, una situazione per propria natura asimmetrica. La novità e rilevanza di questo approccio 3D sono discusse sia in relazione ai lavori presenti in letteratura, basati su assunzioni di simmetria per ridurre la dimensionalità del problema, che all’interpretazione delle osservazioni.