ECTS - University of Pisa
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) | |
| FISICA DELLE STELLE COMPATTE | FIS/04 | LEZIONI | 36 |
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Al termine del corso lo studente avrà acquisito conoscenze sulle proprietà della materia a densità estreme e sulle proprietà strutturali delle stelle compatte (stelle nane bianche e stelle di neutroni) e su alcuni fenomeni astrofisici ad esse collegate (supernovae, pulsars, onde gravitazionali)
By the end of the course, the student will have acquired knowledge about the properties of matter at extreme densities and the structural properties of compact stars (white dwarf stars and neutron stars) and some related astrophysical phenomena (supernovae, pulsars, gravitational waves).
- Pulsar.
Caratteristiche generali delle stelle compatte e meccanismo di genesi. Proprietà generali delle pulsar: pulsar shape, periodo (P) e sua variazione nel tempo (Pdot). Rivelazione radio delle pulsar. Interpretazione delle pulsar come stelle di neutroni ruotanti. Modello di dipolo magnetico ruotante delle pulsar. Campi magnetici delle pulsar: cenni sull'origine, decadimento nel tempo di B e conseguenze sul braking index e sull'evoluzione temporale delle pulsar. Radiazione gravitazionale emessa da una stella di neutroni; caso di frenamento misto (dipolo magnetico – quadrupolo gravitazionale). Dipendenza dal tempo del momento di inerzia di una stella di neutroni, conseguenze sull'evoluzione temporale delle pulsars; braking index generalizzato.
- Equazione di stato della materia densa e strutura delle stelle compatte.
Equazione di stato (EoS) di un gas ideale di fermioni relativistici; limite non-relativistico e ultra-relativistico. Miscela di due gas ideali di fermioni: materia nucleare asimmetrica: energia di simmetria ed EoS. Materia nucleare β-stabile (caso gas ideali), densità di soglia per i muoni, velocità del suono in materia nucleare. Equazione di stato per un ''core'' stellare degenere. Correzioni elettrostatiche all' EoS di un gas fermionico ideale: approssimazione di Wigner-Seitz; metodo di Thomas-Fermi. Equazioni per l'equilibrio idrostatico in gravitazione newtoniana: equazione di stato politropica, equazione di Lane-Emden. Struttura delle stelle nane bianche. Massa limite di Chandrasekhar. Decadimento beta-inverso: gas ideale relativistico di nucleoni ed elettroni. Beta equilibrio tra Nuclei ed elettroni: equazione di stato di Harrison-Wheeler. EoS di Baym-Pethick-Sutherland. EoS di Baym-Bethe-Pethick. Equazioni per l'equilibrio idrostatico in relatività generale: equazione di Tolman-Oppenheimer-Volkov. Massa gravitazionale, barionica e propria di una stella di neutroni. Massa limite (Mmax) delle stelle di neutroni. Ruolo della relatività speciale e generale sul concetto di massa limite di una stella compatta. Misura della massa delle stelle di neutroni. Elementi di fisica delle particelle per lo studio delle stelle compatte. Cenni al modello a quark degli adroni. Stelle di neutroni puramente nucleoniche: ruolo dell'interazione nucleare sulla struttura e su Mmax; Densità di soglia per gli iperoni in materia nucleare beta-stabile. Equazione di stato della materia iperonica. Stelle iperoniche. Deconfinamento dei quark in materia densa. Strange Quark Matter (SQM) e relativa equazione di stato fenomenologica. Stelle di neutroni ibride. Ipotesi di Bodmer-Witten sulla assoluta stabilità della SQM. Strange stars. Effetti delle transizione di deconfinamento dei quark sul braking index delle pulsar.
- Pulsars.
General characteristics of compact stars and mechanism of their genesis. General properties of pulsars: pulsar shape, period (P) and its time derivative (Pdot). Radio detection of pulsars. Interpretation of pulsars as rotating neutron stars. Rotating magnetic dipole model of pulsars. Pulsar magnetic fields: hints on the origin, decay in time of B and consequences on braking index and time evolution of pulsars. Gravitational radiation emitted by a neutron star; case of mixed braking (magnetic dipole - gravitational quadrupole). Time dependence of the moment of inertia of a neutron star, consequences on the time evolution of pulsars; generalized braking index.
- Equation of state of dense matter and struture of compact stars.
Equation of state (EoS) of an ideal gas of relativistic fermions; non-relativistic and ultra-relativistic limit. Mixture of two ideal fermion gases: asymmetric nuclear matter: symmetry energy and EoS. β-stable nuclear matter (ideal gas case), threshold density for muons, speed of sound in nuclear matter. Equation of state for a degenerate stellar ''core''. Electrostatic corrections to the EoS of an ideal fermionic gas: Wigner-Seitz approximation; Thomas-Fermi method. Equations for hydrostatic equilibrium in Newtonian gravitation: polytropic equation of state, Lane-Emden equation. Structure of white dwarf stars. Chandrasekhar mass limit. Beta-inverse decay: relativistic ideal gas of nucleons and electrons. Beta equilibrium between nuclei and electrons: Harrison-Wheeler equation of state. Baym-Pethick-Sutherland's EoS. EoS of Baym-Bethe-Pethick. Equations for hydrostatic equilibrium in general relativity: Tolman-Oppenheimer-Volkov equation. Gravitational, baryonic and proper mass of a neutron star. Limiting mass (Mmax) of neutron stars. Role of special and general relativity on the concept of the limiting mass of a compact star. Measurement of the mass of neutron stars. Elements of particle physics for the study of compact stars. Hints at the quark model of hadrons. Purely nucleonic neutron stars: role of nuclear interaction on structure and Mmax; Threshold density for hyperons in beta-stable nuclear matter. Equation of state of hyperonic matter. Hyperonic stars. Deconfinement of quarks in dense matter. Strange Quark Matter (SQM) and its phenomenological equation of state. Hybrid neutron stars. Bodmer-Witten hypothesis on the absolute stability of the SQM. Strange stars. Effects of quark deconfinement transitions on the braking index of pulsars.
S. L. Shapiro, S. A. Teukolsky, Black Holes Whithe Dwarfs and Neutron Stars, John Wiley and Sons, 1983.
N. K. Glendenning, Compact Stars, Springer, 2000 (2nd edition).
P. Haensel, A.Y. Potekhin, D.G. Yakovlev, Neutron Strars 1: equation of state and structure, Springer, 2007
J. Schaffner-Bielich, Compact Stars Physics, Cambridge University Press, 2020.
I. Bombaci, Neutron stars' structure and nuclear equation of state, chap. 8 in Nuclear Methods and the Nuclear Equation of State, ed. M. Baldo, World Scientific, 1999.
I. Bombaci, The Equation of State of Neutron Star Matter, chap. 9 in Millisecond Pulsars, S. Bhattacharyya, A. Papitto, D. Bhattacharya (eds). Astrophysics and Space Science Library, vol 465. Springer Nature, 2022.
S. L. Shapiro, S. A. Teukolsky, Black Holes Whithe Dwarfs and Neutron Stars, John Wiley and Sons, 1983.
N. K. Glendenning, Compact Stars, Springer, 2000 (2nd edition).
P. Haensel, A.Y. Potekhin, D.G. Yakovlev, Neutron Strars 1: equation of state and structure, Springer, 2007
J. Schaffner-Bielich, Compact Stars Physics, Cambridge University Press, 2020.
I. Bombaci, Neutron stars' structure and nuclear equation of state, chap. 8 in Nuclear Methods and the Nuclear Equation of State, ed. M. Baldo, World Scientific, 1999.
I. Bombaci, The Equation of State of Neutron Star Matter, chap. 9 in Millisecond Pulsars, S. Bhattacharyya, A. Papitto, D. Bhattacharya (eds). Astrophysics and Space Science Library, vol 465. Springer Nature, 2022.
Prova orale finale sugli argomenti del programma del corso
Final oral examination on the topics of the course program
