Modeling neutron star glitches triggered by superfluid vortex avalanches

Glitches are sudden spin-up events observed in the rotation of neutron stars. Though the most widely accepted theory to explain the nature of this phenomenon is the transfer of angular momentum from an internal superfluid reservoir, many theories attempt to quantitatively model these events, particularly those based on descriptions of the superfluid vortex-avalanche process. The aim of this thesis is to extend the existing models with new hypotheses in order to obtain a complete and self-consistent description of superfluid vortex dynamics and avalanche probability. The effects of an inertial mass of the vortex were analyzed together with an investigation of the effects arising from the introduction of a Gaussian shape for the potential describing the interaction of vortices with pinning centers in the crust of neutron stars. A self-consistent velocity- and position-dependent drag parameter was used to consider dissipative forces. A mean free path statistical approach was adopted by studying the behavior of a vortex near a single pinning site. The introduction of an inertial mass has the effects of reducing the mean free path of vortices, although often with negligible impact for realistic neutron star crust parameters. The Gaussian reshaping of the potential together with the definition of the drag highly affects the dynamics, providing a time-evolution description of the vortex-avalanches probability, with results aligned with observational data. Limitations of the model mainly arise from the adoption of a point-particle description of the vortex and the assumption of a perfectly periodic crystal lattice in the crust. Future developments could thus incorporate additional physical ingredients to further increase the generality of the model.

I glitch sono improvvisi aumenti della velocità angolare di una stella di neutroni. Nonostante la teoria più accreditata per spiegare la natura di questo fenomeno sia il trasferimento di momento angolare da una riserva superfluida interna, esistono molte teorie che tentano di modellare questi eventi quantitativamente, in particolare quelle basate sulla descrizione di processi di valanghe di vortici. L’obiettivo di questa tesi è estendere modelli esistenti con nuove ipotesi al fine di ottenere una descrizione completa e autoconsistente della dinamica dei vortici e della probabilità di valanghe. L’effetto di una massa inerziale del vortice è stato analizzato insieme a un’indagine sulle modifiche derivanti dall’introduzione di un potenziale di pinning di forma Gaussiana, per descrivere l'interazione dei vortici con siti di pinning nella crosta della stella di neutroni. È stato utilizzato un parametro autoconsistente di drag dipendente dalla velocità e dalla posizione per considerare forze dissipative. È stato adottato un approccio statistico basato sul cammino libero medio studiando il comportamento di un vortice presso un singolo sito di pinning. L’introduzione di una massa inerziale ha l’effetto di ridurre il cammino libero medio del vortice, anche se spesso in modo trascurabile per parametri realistici della crosta di una stella di neutroni. Il rimodellamento Gaussiano del potenziale e la definizione del parametro di drag hanno influenzato in gran modo la dinamica, fornendo una descrizione evolutiva nel tempo della probabilità di valanghe di vortici, con risultati in accordo con i dati osservati. Le limitazioni del modello derivano principalmente dalla descrizione del vortice come particella puntiforme e dall’assunzione di un reticolo cristallino perfetto nella crosta. Futuri sviluppi potranno incorporare ulteriori elementi per aumentare la generalità del modello.