Equation d'etat de la matiere ultra-dense : etoiles a neutrons et coeur des naines blanches massives

• Auteur / Autrice : FABRICE DOUCHIN
• Direction : Gilles Chabrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, océan, espace
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure (sciences)

Résumé

Le travail presente concerne l'equation d'etat de la matiere ultra-dense appliquee a l'astrophysique des objets compacts, qui representent les derniers stades d'evolution des etoiles. Dans une premiere partie, une equation d'etat realiste d'une etoile a neutrons a l'equilibre beta et a temperature nulle (matiere froide catalysee), ainsi qu'une description detaillee de la transition de la croute solide vers le coeur liquide de l'etoile sont proposees. J'ai applique une extension de l'approximation de thomas-fermi, incluant le couplage spin-orbite, aux fonctionnelles d'energies de type skyrme, qui decrivent l'interaction nucleon-nucleon. J'ai d'abord etudie le fluide uniforme npe qui constitue l'interieur de l'etoile, ainsi que son seuil d'instabilite sous fluctuations de densites. Pour la structure de la croute, j'ai effectue des calculs prealables afin d'evaluer precisement les effets de surface (incluant les termes de courbure) sur la formation des noyaux. En utilisant le modele de la goutte liquide compressible, j'ai ajoute perturbativement ces effets, ainsi que les contributions coulombiennes, a l'equilibre purement volumique. Les resultats obtenus remettent tres fortement en question l'existence des structures dites exotiques. L'equation d'etat finalement proposee est valable jusqu'a des densites superieures a la densite nucleaire symetrique et inclut la presence de muons a tres haute densite. J'ai par ailleurs etudie les effets quantiques sur la cristallisation au coeur des naines blanches, et plus generalement dans un plasma tres dense, compose d'atomes completement ionises et d'un gaz d'electrons degenere (modele du one component plasma). Le probleme a n corps qui se pose est particulierement delicat a haute densite et a temperature finie par suite des effets collectifs, aussi bien dans le liquide que dans le cristal. La methode du monte carlo quantique (paths integral monte carlo, pimc), dont la justification theorique repose sur les integrales de chemin de feynman, permet de developper des outils numeriques adequats. J'ai ecrit et developpe un code pimc, en etudiant de facon semi-classique la matrice densite coulombienne a 2 corps (les termes non-diagonaux etant inclus) d'abord, puis par la mise au point d'un algorithme permettant d'explorer aussi efficacement que possible l'espace des phases, a savoir la methode de la bisection principalement. Ces simulations m'ont permis de proposer une equation d'etat du cristal ionique quantique, a temperature finie. Cet etat de la matiere est caracteristique de l'interieur des naines blanches massives, progeniteurs supposes des supernovae de type ia (snia).