Modélisation de la croûte des (proto)étoiles à neutrons : vers une estimation contrôlée des incertitudes

Modeling the (proto)neutron star crust : toward a controlled estimation of uncertainties

• Auteur / Autrice : Thomas Carreau
• Direction : Francesca Gulminelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/09/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (1947-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Margueron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francesca Gulminelli, Jérôme Margueron, Constança Providência, Micaela Oertel, Anthea Francesca Fantina, Nicolas Chamel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Constança Providência, Micaela Oertel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Equilibre statistique nucléaire

Cristallisation

Pulsars

Statistique bayésienne

Équations d'état

Physique nucléaire

Étoiles à neutrons

Mots clés libres

Croûte

Glitch de pulsar

Equilibre statistique nucléaire

Nuclear physics

Equation of state

Bayesian statistics

Pulsar glitch

Nuclear statistical equilibrium

Crystallization

Crust

Neutron star

Résumé

L’objectif principal de cette thèse est de fournir des prédictions réalistes et d’étudier les sources d’incertitudes sur les observables des étoiles à neutrons froides isolées et des protoétoiles à neutrons chaudes, en utilisant les contraintes actuelles fournies par les expériences en physique nucléaires, les développements en théorie des perturbations chirales et les observations astrophysiques. Une approche unifiée de métamodélisation a été introduite pour calculer la composition et l’équation d’état des étoiles à neutrons froides isolées pour toute fonctionnelle de matière nucléaire. Une détermination bayésienne des paramètres de l’équation d’état a été effectuée, conduisant à des prédictions réalistes pour les observables de l’étoile. À température finie, l’équilibre statistique complet des ions dans la croûte a été considéré, permettant, entre autres, le calcul du paramètre d’impureté. Les résultats sont compatibles avec les contraintes déduites de GW170817, et tendent à indiquer que lephénomène de glitch ne peut pas uniquement tirer son origine de la physique de la croûte. Des déviations dans la composition de la croûte par rapport à la matière catalysée froide sont observées à la température de cristallisation. Les résultats montrent que la contribution des impuretés n’est pas négligeable, ce qui pourrait avoir un impact sur les propriétés de transport dans la croûte. Une plus grande précision dans la détermination des dérivées d’ordre élevé de l’énergie de symétrie dans les expériences et/ou la théorie des perturbations chirales, et dans la connaissance de l’énergie de surface à des isospins extrêmes est nécessaire pour réduire les incertitudes sur les observables de la croûte. Le cadre numérique développé au cours de cette thèse peut servir de base à des recherches futures.

The main aim of this thesis is to make realistic predictions and to investigate the sources of uncertainties in the observables of nonaccreting cold neutron stars and warm protoneutron stars, using the present day constraints provided by nuclear experiments, developments in chiral effective field theory, and astrophysical observations. A unified metamodeling approach was introduced to calculate the stellar composition and equation of state of cold nonaccreting neutron stars for any functional of nuclear matter. A Bayesian determination of the equation of state parameters was carried out, leading to realistic predictions for neutron star observables. At finite temperature, a full statistical equilibrium of ions in the crust was considered, allowing in particular for the computation of the impurity parameter. The results are compatible with constraints inferred from GW170817, and suggest that a full crustal origin of pulsar glitches should be excluded. Deviations in the crust composition from cold catalyzed matter are observed at the crystallization temperature. Results show that the contribution of impurities is nonnegligible, thus potentially having an impact on transport properties in the crust. Higher precision in the determination of high-order isovector empirical parameters through nuclear experiments or low-density effective field theory predictions, and in the experimental and/or theoretical knowledge of the surface energy at extreme isospin ratios are needed to reduce the uncertainties of crustal observables. The numerical framework developed during this thesis can be used as a basis for future studies.