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The effects of dark matter on neutron stars and on their merger dynamics

Authors: Edoardo Giangrandi

Supervisors: Violetta Sagun, Tim Dietrich, Constança Providência

PhD thesis, UC - Teses de Doutoramento (supervisores: Violetta Sagun, Tim Dietrich, Constança Providência) (2025)

Abstract: A natureza enigmática da matéria escura (DM) continua a representar um dos desafios mais significativos na astrofísica e cosmologia modernas. Embora as experiências de deteção direta e as pesquisas em colisores ofereçam vias para desvendar as suas propriedades fundamentais, os objetos astrofísicos compactos, particularmente as estrelas de neutrões (NSs), apresentam laboratórios únicos para investigar a natureza da DM em ambientes gravitacionais extremos. Com base nesta ideia, esta tese investiga o impacto da DM em NSs e a dinâmica da sua fusão. A acumulação de DM dentro das NSs pode alterar suas propriedades estruturais, como massa, raio e deformabilidade de maré, que são observáveis através de fenômenos astrofísicos, oferecendo assim uma sonda única para a natureza e propriedades fundamentais da DM. Por essa razão, construímos modelos teóricos de NS com a adição de diferentes modelos de DM, derivando as equações de estado (EOS) da DM para o sistema composto. Esta abordagem permite-nos explorar a degenerescência entre modelos bariónicos e de DM. Estudamos como a DM afeta a distribuição de matéria nas NSs e o potencial viés que pode introduzir nas medições astrofísicas das EOS. O espaço de parâmetros dos nossos modelos de DM é restringido por observações astrofísicas, incluindo a massa máxima de pulsares pesados, o momento de inércia e a deformabilidade de maré inferida do evento de onda gravitacional (GW) GW170817. Conduzimos um estudo abrangente sobre a deformabilidade de maré de NS com adição de DM, analisando diferentes modelos de DM, os seus espaços de parâmetros e propriedades. Subsequentemente, exploramos a evolução térmica destas EN com adição de DM através de simulações de arrefecimento, analisando o potencial para mecanismos de arrefecimento rápido desencadeados pela DM. Além disso, realizamos simulações de hidrodinâmica relativística geral de fusões de estrelas de neutrões binárias (BNS) onde as estrelas em espiral contêm uma fração significativa de DM. A nossa análise foca-se nas modificações resultantes na dinâmica da fusão, na ejeção, no destino do remanescente e no sinal de GW emitido. Extraímos a deformabilidade de maré destas simulações de fusão e discutimos a viabilidade de observar impressões da DM em deteções passadas e futuras. Avaliamos a detetabilidade de potenciais desvios das GWs de fusão de BNS sem DM com deteções atuais e futuras, destacando características que podem servir como assinaturas da DM. Finalmente, discutimos as implicações das nossas descobertas para a comunidade de pesquisa em DM mais ampla, delineando potenciais caminhos para futuras sondas observacionais e desenvolvimentos teóricos.

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