Praca doktorska
Dynamical stability of differentially rotating neutron stars” („Stabilność dynamiczna różniczkowo rotujących gwiazd neutronowych
| dc.abstract.en | Neutron stars are natural laboratories for extreme physics not replicable on Earth. In particular, properties of ultradense matter, with densities higher than those of an atom nucleus, are of interest to modern physics. They can be probed by observing events that involve neutron stars, such as collapse of a massive stellar core or merger of two neutron stars. This thesis is focused on exploring the dynamical properties of \textit{differentially} rotating neutron stars and their stability. Differential rotation emerges naturally in compact remnants of core-collapse supernovae and binary neutron star mergers and persists on a timescale longer than dynamical. The non-uniform rotation profile allows us to construct equilibrium solutions of the neutron star structure with masses larger than is possible for uniform rotation, with the most massive being larger than $8M_\odot$. These configurations are called \textit{hypermassive}. Even a simple one-parameter model of differential rotation yields a complicated solution space with multiple types of solutions. To this day, the dynamical stability properties are not well explored for a wide range of parameters. No universal dynamical stability criterion exists for differentially rotating NS. In this thesis, we perform a systematic study of differentially rotating neutron stars with the focus on hypermassive configurations. For the first time, we study all known types of configurations by both 2D and 3D hydrodynamical simulations. We use a highly accurate and efficient relativistic numerical code FlatStar to study the parameter space of equilibrium solutions. We consider the polytropic model and four realistic models of the equation of state of dense matter and show estimates of their stability. Then, we present results of a series of relativistic numerical simulations of the hydrodynamical evolution of selected configurations. By using a two-dimensional code CoCoNuT we identify the limit of dynamical stability against quasi-radial perturbations and compare it with the estimates. With a three-dimensional code GRHydro, we inspect the nonaxisymmetrical instabilities of selected configurations. We modify both codes to allow for studying hypermassive configurations. We discuss the possible emission of gravitational waves by the objects we studied. Our results show that a wide range of hypermassive neutron stars can be stabilized by differential rotation. We discuss the possibility of finding such configurations in nature and detecting them in the gravitational waves domain. |
| dc.abstract.pl | Gwiazdy neutronowe to naturalne laboratoria pozwalające badać ekstremalne warunki fizyczne niemożliwe do odtworzenia na Ziemi. W szczególności właściwości materii gęstej o gęstościach większych niż jądra atomu są przedmiotem zainteresowania współczesnej fizyki. Mogą być one badane przez obserwację zdarzeń z udziałem gwiazd neutronowych, takich jak zapadnięcie się jądra masywnej gwiazdy albo złączenie dwóch gwiazd neutronowych. Poniższa praca skupia się na badaniu dynamicznych własności \textit{różniczkowo} rotujących gwiazd neutronowych oraz na ich stabilności. Różniczkowa rotacja pojawia się w naturalny sposób w zwartych pozostałościach po supernowych oraz złączeniach gwiazd neutronowych i utrzymuje się w skalach czasowych dłuższych niż dynamiczne. Różniczkowy profil rotacji pozwala na istnienie równowagowych konfiguracji gwiazd neutronowych o masach większych niż jest to możliwe w przypadku sztywnej rotacji, z masami sięgającymi $8M_\odot$. Takie konfiguracje nazywane są \textit{hipermasywnymi}. Nawet prosty jednoparametrowy model różniczkowej rotacji daje skomplikowaną przestrzeń rozwiązań z wieloma typami konfiguracji. Do dziś stabilność konfiguracji tego typu nie jest dobrze zbadana. Nie istnieje uniwersalne kryterium dynamicznej stabilności dla różniczkowo rotujących gwiazd neutronowych. W poniższej pracy przedstawiamy systematyczne badanie różniczkowo rotujących gwiazd neutronowych, w szczególności hipermasywnych konfiguracji. Po raz pierwszy badamy wszystkie znane typy rozwiązań za pomocą hydrodynamicznych symulacji dwu- i trójwymiarowych. Używamy bardzo dokładnego i efektywnego kodu numerycznego FlatStar do badania przestrzeni rozwiązań równowagowych. Rozpatrujemy model politropy oraz cztery realistyczne równania stanu materii gęstej i pokazujemy oszacowanie stabilności dla szerokiego zakresu parametrów. Następnie przedstawiamy wyniki serii hydrodynamicznych symulacji numerycznych wybranych konfiguracji. Używając dwuwymiarowego kodu CoCoNuT znajdujemy granicę dynamicznej stabilności ze względu na quasi-radialne zaburzenia i porównujemy ją z oszacowaniami. Z pomocą trójwymiarowego kodu GRHydro badamy nieosiowosymetryczne niestabilności wybranych konfiguracji. Oba kody zostały zmodyfikowane by umożliwić badanie hipermasywnych konfiguracji. Dodatkowo omawiamy możliwą emisję fal grawitacyjnych przez badane obiekty. Nasze wyniki pokazują, że szeroki zakres hipermasywnych gwiazd neutronowych może być stabilizowany przez różniczkową rotację. Omawiamy także możliwość obserwacji takich konfiguracji w dziedzinie fal grawitacyjnych. |
| dc.affiliation | Uniwersytet Warszawski |
| dc.affiliation.department | Wydział Fizyki |
| dc.affiliation.other | Szkoła Doktorska Nauk Ścisłych i Przyrodniczych |
| dc.affiliation.other | Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Warszawskiego |
| dc.contributor.author | Szewczyk, Paweł |
| dc.date.accessioned | 2025-04-02T11:31:52Z |
| dc.date.available | 2025-04-02T11:31:52Z |
| dc.date.defence | 2025-04-25 |
| dc.date.issued | 2025-04-02 |
| dc.date.submitted | 2024-10-03 |
| dc.description.promoter | Rosińska, Dorota |
| dc.description.reviewer | Biesiada, Marek |
| dc.description.reviewer | Czerny, Bożena |
| dc.description.reviewer | Zdunik, Julian |
| dc.description.version | final_author |
| dc.identifier.apd | 236949 |
| dc.identifier.orcid | 0009-0001-2788-039X |
| dc.identifier.uri | https://repozytorium.uw.edu.pl//handle/item/166265 |
| dc.language | en |
| dc.language.other | pl |
| dc.rights | ClosedAccess |
| dc.subject.en | Neutron stars |
| dc.subject.en | stability |
| dc.subject.en | general relativity |
| dc.subject.en | gravitational waves |
| dc.subject.en | hydrodynamical simulations |
| dc.subject.pl | Gwiazdy neutronowe |
| dc.subject.pl | stabilność |
| dc.subject.pl | ogólna teoria względności |
| dc.subject.pl | fale grawitacyjne |
| dc.subject.pl | symulacje hydrodynamiczne |
| dc.title | Dynamical stability of differentially rotating neutron stars” („Stabilność dynamiczna różniczkowo rotujących gwiazd neutronowych |
| dc.title.alternative | Stabilność dynamiczna różniczkowo rotujących gwiazd neutronowych |
| dc.type | DoctoralThesis |
| dspace.entity.type | Publication |