Estrellas híbridas aisladas: criterios de estabilidad en modelos de proto-estrellas de neutrones y magnetares

Abstract

Las estrellas de neutrones (ENs) son uno de los objetos astrofísicos más extremos, tanto desde un punto relativista como cuántico, dado que alcanzan densidades que no se pueden encontrar en otros lugares del universo. Esta propiedad las convierte en laboratorios naturales, en donde se pueden poner a prueba diversos modelos y teorías. Por un lado, el estado de la materia densa, y su consiguiente ecuación de estado (EdE), es uno de los mayores interrogantes que plantean y que se pueden estudiar en estos objetos. Además, desde hace una década, a partir de las detecciones de los púlsares J1614-2230 y J0348+0432 -las cuales impusieron una fuerte restricción para la masa máxima de las ENs, M_max ≳ 2 M_☉ - y con el inicio de la astronomía multimensajera de ondas gravitacionales, a partir de la detección del evento GW170817 y su contraparte electromagnética, ha comenzado una etapa de investigación de precisión para las ENs. En esta línea se inscribe la detección del pulsar PSR J0740+6620, la cual ocurrió durante la redacción de esta tesis. Esta última observación impone la cota en la masa máxima más fuerte de la actualidad, M_max ≳ 2.05 M_☉. En este contexto se plantea esta Tesis de Doctorado, cuyo objetivo general es aportar una mejor comprensión de la estructura, estabilidad y composición interna de las ENs aisladas. En particular, se busca estudiar estos objetos, con una perspectiva teórica, considerando la hipótesis de que en sus núcleos ocurra una transición de fase de materia hadrónica a materia de quarks, dando lugar a estrellas híbridas (EHs). Dicha hipótesis se ve justificada por el hecho de que estos objetos compactos alcanzan, en sus núcleos, densidades que superan varias veces la densidad de los núcleos atómicos. Para ello, realizamos, en primer lugar, un desarrollo microscópico, utilizando modelos efectivos de la física nuclear y subnuclear para construir la EdE híbrida, la cual incluye las contribuciones de las fases de hadrones y de quarks. Además, consideramos que la transición de fase hadrón-quark resulta una transición abrupta, con una interfase discontinua. En el caso de la materia de quarks, utilizamos un modelo efectivo de la Cromodinámica Cuántica, denominado Método de Campo Correlacionador. Para la materia hadrónica, utilizamos diferentes versiones de la aproximación de Campo Medio Relativista. Una vez construida la EdE, mediante las ecuaciones de equilibrio hidrostático relativistas de Tolman-Oppenheimer-Volkoff, obtenemos las soluciones que nos permiten estudiar la estructura macroscópica de las EHs. Además, estudiamos la estabilidad dinámica para las configuraciones obtenidas, considerando diversos criterios de estabilidad, para analizar qué tipo de soluciones estáticas pueden tener implicancias astrofísicas. En particular, analizamos la estabilidad dependiendo del tipo de transición de fase en el interior de estos objetos, rápida o lenta. En el marco de la hipótesis de la transición hadrón-quark y trabajando según la metodología enunciada, estudiamos dos escenarios diferentes de interés astrofísico. Primero, abordamos la etapa de proto-EN, en la cual se modela la EN durante los primeros minutos inmediatamente posteriores a su formación, luego de la explosión de supernova de la estrella progenitora. En esta etapa, se deben considerar los efectos de las altas temperaturas, las cuales pueden llegar hasta 10^12 Kelvin, y la presencia de neutrinos atrapados en su interior. En el segundo escenario, incluyendo la presencia del campo magnético, se estudia el problema de las magnetares, ENs con campos magnéticos superficiales de hasta 10^15 Gauss. En este escenario, además de la contribución puramente magnética, se debe considerar la cuantización de Landau para las partículas con carga eléctrica no nula. Ambos escenarios, además, deberían presentar una evolución temporal, debido al proceso de enfriamiento y desleptonización de la proto-estrella o al decaimiento del campo magnético en la magnetar. Por lo tanto, estudiamos posibles transiciones evolutivas entre configuraciones estables, a través del análisis de la relación masa gravitacional-masa bariónica para las diferentes familias de estrellas calculadas. Los resultados obtenidos muestran que los modelos estudiados satisfacen las restricciones observacionales actuales. Por otro lado, obtenemos que es posible que ocurra una transición de fase hadrón-quark en el núcleo de las ENs, dando lugar a EHs. Esta transición, en el marco de los modelos considerados, podría ocurrir tanto en el momento de formación del objecto compacto, como en estadios posteriores de su evolución, como consecuencia de su enfriamiento o del decaimiento de su campo magnético. En este sentido, el estudio de las secuencias evolutivas de estos objetos, a través de transiciones entre configuraciones estables, permite analizar en qué momento ocurriría la transición de fase y qué tipo de objetos pueden ser el resultado final de estos procesos. Además, el estudio sobre la estabilidad de estos objetos muestra que, dependiendo del criterio de estabilidad considerado, la existencia de configuraciones híbridas se modifica significativamente. Si se consideran transiciones de fase rápidas, la posibilidad de existencia de EHs resulta marginal, mientras que si se consideran transiciones de fase lentas surge una familia extendida y numerosa de objetos estables híbridos. Dado que el debate en torno a la EdE de la materia densa es actualmente un tema vigente y dinámico, estos resultados resultan provisorios y quedan sujetos a futuros experimentos y observaciones. En este sentido, en el contexto de la nueva era de la astronomía multimensajera de ondas gravitacionales y de la futura astrosismología de ENs, esperamos que los resultados y predicciones obtenidas en esta tesis se enmarquen dentro de esta nueva perspectiva y contribuyan a profundizar el conocimiento sobre la composición interna y el comportamiento de las ENs.

The neutron stars (NSs) are one of the most extreme astrophysical objects, both from a relativistic as from a quantum point of view, since they reach density values that can not be found elsewhere in the universe. This feature makes them natural laboratories, where various theories and models can be tested. On one hand, the state of the dense matter, and its subsequent equation of state (EoS), is one of the biggest questions raised and that can be studied in these objects. In addition, for a decade, from the detections of the J1614-2230 and J0348-0432 pulsars -which imposed a strong constraint on the maximum mass of the NSs, Mmax & 2 M - and with the beginning of the gravitational wave multi-messenger astronomy era, with the detection of the GW170817 event and its electromagnetic counterpart, a precision research stage for NSs has began. In this sense, during the writing of this thesis, it has been detected the pulsar PSR J0740+6620. This last observation imposes the current strongest constraint on the NS maximum mass, Mmax & 2:05 M . In this context, this PhD Thesis is proposed, whose general objective is to contribute to provide a better understanding of the structure, stability and internal composition of isolated NSs. In particular, we seek to study these objects, with a theoretical perspective, considering the hypothesis that a phase transition from hadronic to quark matter occurs in their core, giving rise to hybrid stars (HSs). This hypothesis is justified by the fact that these compact objects reach densities in their inner cores that exceed several times the nuclear density. In order to accomplish this, we firstly perform a microscopic study, using effective models of nuclear and subnuclear matter physics to build the hybrid EoS, which includes the contributions of the hadron and quarks phases. In addition, we consider that the hadronquark phase transition is sharp, with a discontinuous interface. In the case of quarks, we use a Quantum Chromodynamics effective model, called Field Correlator Method. For hadronic matter, we use different versions of the Relativist Mean Field model. Once the EoS is constructed, we use Tolman-Oppenheimer-Volkoff hydrostatic equilibrium relativistic equations to obtain the configurations that allow us to study the macroscopic structure of the HS. In addition, for the obtained configurations, we study their dynamical stability, considering various stability criteria, to analyse what kind of static solutions may have astrophysical implications. In particular, we analyse the stability considering if the phase transition inside these objects is rapid or slow. Within the hypothesis of the hadron-quark transition and working according to the stated methodology, we study two different scenarios of astrophysical interest. First, we approach the proto-NS stage, in which the NS is modelled during the first minutes immediately after its formation, after the supernova explosion of the progenitor star. At this stage, the effects of high temperatures, which can reach up to 1012 Kelvin, and the presence of trapped neutrinos should be considered. In the second scenario„ including the presence of the magnetic field, the problem of magnetares, NSs with surface magnetic fields up to 1015 Gauss, is studied. In this scenario, in addition to the pure magnetic contribution, the Landau quantization should be considered for non-zero electrically charged particles. Besides, both scenarios should present a time evolution, due to cooling and deleptonization processes of the proto-star or the magnetic field decay of the magnetar. Therefore, we study possible evolutionary transitions between stable configurations, through the analysis of the gravitational mass-baryonic mass relationship for the different families of stars calculated. The obtained results show that the studied models satisfy the current observational constraints. On the other hand, we obtain that it is possible that a hadron-quark phase transition occurs in the core of the NSs, giving rise to HSs. This phase transition, within the framework of the models considered, could occur both at the time of formation of the compact object or at later stages of its evolution, as a result of its cooling or the decay of its magnetic field. In this sense, the study of the evolutionary sequences of these objects, through transitions between stable configurations, allow us to analyse the moment when the phase transition would occur and the type of objects may be the final result of these processes. In addition, the study on the stability of these objects shows that, depending on the stability criteria considered, the existence of hybrid configurations is significantly modified. If rapid phase transitions are considered, the possibility of the existence of HSs is marginal, while if slow phase transitions are considered, an extended family of hybrid stable objects arises. In the context of the new astronomy of gravitational waves and the future NS asterosismology, we hope that the results and predictions obtained in this thesis will be framed under this new perspective and contribute to continue learning about these objects. Given that the debate around the EoE of dense matter is currently an active and dynamic issue, these results are provisional and are subject to future experiments and observations. In this sense, in the context of the new gravitational wave multi-messenger astronomy era and the future NS asterosismology, we hope that the results and predictions obtained in this thesis will be framed within this new perspective and will contribute to deep the knowledge about the internal composition and behaviour of the NSs.