Magneto-thermal evolution of neutron stars: a 3D approach

Abstract (IT): Le stelle di neutroni (NS) sono lo stadio evolutivo finale di stelle con massa sufficientemente elevata (8 M_sol < M < 25 M_sol), i resti del nucleo collassano a seguito dell'esplosione di una supernova che segna la morte del progenitore. Con una massa dell'ordine di quella solare e un raggio di solo 10-15 km, esse sono i corpi più compatti dell'universo, raggiungendo densità maggiori dei nuclei atomici. Inoltre, sono dotate di campi magnetici estremamente forti, i cui valori sono i più alti registrati ad oggi. Le NS nascono con alte temperature (T ~ 10^11 K), e si raffreddano invecchiando. La loro evoluzione termica é intrinsecamente legata a quella del loro campo magnetico. Facendo un confronto con le osservazioni, la conoscenza dell'evoluzione secolare magneto-termica permette una distinzione tra diversi scenari di raffreddamento, vincolando, quindi, l'equazione di stato (EOS) della materia ultra-densa. Inoltre, fornisce una mappa auto-consistente della temperatura superficiale, che rappresenta la chiave per derivare una stima affidabile del raggio della stella a partire dalle osservazioni in banda X. Questo porta alla determinazione della EOS per le NS. Lo scopo di questo studio è di creare un modello per l'evoluzione della temperatura e delle componenti del campo magnetico nella crosta delle NS attraverso simulazioni numeriche eseguite con PARODY, un codice 3D pseudo-spettrale che risolve l'equazione di induzione accoppiata con quella per la temperatura nella la crosta di una NS isolata con un campo magnetico molto intenso (B >~ 10^14 G). È necessario, dunque, un approccio interamente in 3D per trattare le configurazioni magnetiche non-asimmetriche ed esplorare le strutture su piccola scala che derivano direttamente dal termine di Hall, il cui ruolo é stato recentemente delucidato. Come fatto in precedenti studi sull'argomento, calcoliamo il campo magnetico e l'evoluzione della temperatura della crosta della NS, basandoci sul presupposto che l'effetto Meissner é in grado di espellere qualunque flusso magnetico dal nucleo superconduttivo di tipo I, in un tempo minore rispetto a quelli dell'evoluzione magnetica e termica. In questo lavoro presentiamo alcune delle prime simulazioni 3D magneto-termiche, considerando diverse configurazioni iniziali per il campo magnetico. Iniziamo dai casi assisimmetrici, per poter fare un miglior paragone con i precedenti studi, per poi considerare i modelli non-assisimmetrici, per cui é certamente necessario un approccio 3D per fare uno studio completo della topologia magnetica e della configurazione della temperatura nella crosta e sulla superficie. Abstract (ENG): Neutron stars (NSs) are the endpoints of the evolution of massive stars (8 M_sol < M < 25 M_sol), the remnants of the core collapse which follows the supernova explosion which marks the death of the progenitor. With a mass of the order of the solar mass and a radius of only 10-15 km, NSs are the most compact stellar objects in the present universe, reaching higher densities than those of atomic nuclei. Besides, they are endowed with extremely strong magnetic, the highest recorded to date. NSs are born very hot (T ~ 10^11 K), and cool down as they age. Their thermal evolution is inherently coupled to that of their magnetic field. Knowledge of the secular magneto-thermal evolution can discriminate between different cooling scenarios when compared to observations, thus constraining the equation of state (EOS) of ultra-dense matter. Moreover, it provides a self-consistent map of the surface temperature, which is key in deriving any reliable estimate of the star radius from X-ray observations. This, again, directly bears to the determination of the NS EOS. The aim of this study is to model the evolution of the temperature and the magnetic field in the NS crust by means of numerical simulations performed with PARODY, a 3D, pseudo-spectral code which solves the coupled induction and temperature equations in the crust of an highly-magnetised isolated NS (B >~ 10^14 G). A fully 3D approach is required in order to treat non-axysimmetric magnetic configurations and the explore small-scale structures which naturally arise as a consequence of the Hall term, the role of which has been recently elucidated. As in previous studies on the subject, we compute the magnetic field and temperature evolution in the NS crust, relying on the assumption that the Meissner effect is able to expel any magnetic flux from the type I, superconducting core on a timescale shorter than the typical timescales of magnetic and thermal evolution. We present in this work some of the first 3D magneto-thermal simulations, considering different initial configurations for the magnetic field. We start with axisymmmetric cases, to have a better comparison with previous investigations, and then turn to non-axisymmetric models, for which a 3D approach is indeed necessary for a complete study of the magnetic topology and the temperature configuration in the crust.