Une équation d'état unifiée pour les étoiles à neutrons et les supernovae à effondrement de coeur

A unified state equatiοn fοr neutrοn stars and cοre-cοllapse supernοvae

• Auteur / Autrice : Thi Hoa Dinh
• Direction : Francesca Gulminelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/09/2023
• 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 co-accrédité : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Micaela Oertel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Constança Providência, Michael Urban, Anthea Francesca Fantina, Nicolas Chamel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Constança Providência, Michael Urban

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Statistique bayésienne

Équations d'état

Matière dense et tiède

Étoiles à neutrons

Mots clés libres

Matière dense et tiède

Analyse bayésienne

Phases de pâtes

Neutron star

Equation of state

Dense matter

Bayesian analysis

Plasma

Pasta phases

Résumé

Cette thèse vise à étudier les propriétés à l’intérieur des (proto-)étoiles à neutrons isolées, non accrétantes et statiques. À cette fin, un meta-modèle a été utilisée pour décrire les propriétés de la matière nucléaire, tandis que les inhomogénéités dans la croûte ont été caractérisées en employant un modèle de goutte liquide compressible. De plus, l’équation d’état a été calculée de manière unifiée sous l’hypothèse nucléonique. Avec une étude bayésienne, nous avons examiné l’impact de différentes contraintes issues de la physique nucléaire et des données astrophysiques sur l’équation d’état des étoiles à neutrons froides. Les résultats de notre analyse bayésienne suggèrent notamment que l’hypothèse nucléonique reste compatible avec toutes les données actuelles provenant des observations d’étoiles à neutrons fournies par les collaborations NICER et LIGO-Virgo. Les structures non sphériques des noyaux dans la région la plus interne de la croûte, connues sous le nom de phases de pâtes, ainsi que les incertitudes associées à leurs propriétés ont été exhaustivement étudiées. En particulier, nous avons démontré que les termes de volume et de surface de l’énergie nucléaire ont un impact significatif sur la prédiction des propriétés des phases de pâtes. Enfin, nous avons étudié la croûte interne des proto-étoiles à neutrons en phase liquide. En particulier, nous avons démontré que l’énergie libre de translation a des effets importants sur la composition de la croûte. À des densités et des températures élevées, l’approximation du plasma à une composante devient moins fiable, et la coexistence de différentes espèces nucléaires a été prise en compte dans une approche de plasma à plusieurs composantes, qui a permis d’ailleurs de calculer de façon conhérente le paramètre d’impurété, donnée nécessaire dans les calculs de refroidissement des étoiles à neutrons. Le formalisme et les outils numériques développés dans cette thèse pourraient être étendus pour des études futures, telles que l’investigation des transitions de phase dans le cœur et des propriétés de transport de la croûte.

This thesis aims to study the interior properties of isolated, non-accreting, and non-rotating (proto-)neutron stars. For this purpose, the meta-modeling technique was employed to compute the properties of nuclear matter, while the inhomogeneities in the crust were characterized using a compressible liquid drop model. Furthermore, the equation of state was consistently calculated in a unified manner under the nucleonic hypothesis. Within a Bayesian study, we investigated the impact of different constraints from nuclear physics and astrophysical data on the equation of state of cold neutron stars. Notably, the results of our Bayesian analysis suggest that the nucleonic hypothesis remains compatible with all current data from neutron-star observations provided by the NICER and LIGO-Virgo collaborations. The non-spherical structures of nuclei in the innermost region of the crust, known as pasta phases, and the uncertainties associated with their properties were thoroughly investigated. Particularly, we demonstrated that both the bulk and surface terms have a significant impact on the prediction of the pasta-phase properties. Finally, we studied the inner crust of proto-neutron stars in the liquid phase. In particular, we demonstrated that the translational free energy has important effects on the crust composition. At high densities and temperatures, the one-component plasma approximation becomes less reliable, and the coexistence of different nuclear species in a multi-component plasma approach has been considered, thus allowing us to consistently calculate the so-called impurity parameter, needed for neutron-star cooling simulations. The formalism and numerical tools developed in this thesis could be further extended for future studies, such as investigating phase transitions in the core and calculating transport properties of the crust.