Modélisation des étoiles à neutrons isolées et coalescentes

Modeling of isolated and coalescing neutron stars

• Auteur / Autrice : Rahul Somasundaram
• Direction : Jérôme Margueron, Hubert Hansen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique nucléaire
• Date : Soutenance le 04/07/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Jules Gascon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Margueron, David Blaschke, Francesca Gulminelli, Ignazio Bombaci, Constança Providência
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Blaschke, Francesca Gulminelli
• DOI : 10.70675/77d3d6bcz1739z4fd5zb0c1z57a65685eb95

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique nucléaire

Étoiles à neutrons

Chiralité (physique)

Transitions de phases

Mots clés libres

Étoiles à neutrons

Équation d'état

Neutron Stars

Equation of state

Résumé

La compréhension des propriétés de la matière dense est l'un des challenges les plus importants de la physique nucléaire et de l'astrophysique des étoiles compactes. L'objectif de cette thèse est de contribuer à cette compréhension dans le cadre de l'étude des étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons sont des réalisations idéales de la matière dense. Elles contiennent de la matière diluée dans leur croûte alors que les cœurs des étoiles à neutrons contiennent de la matière aux densités les plus élevées de l'univers. L'étude de cette matière des étoiles à neutrons est présentée dans cette thèse en trois parties. Dans la partie I, nous étudions le comportement de la matière dense en utilisant une approche de méta-modélisation de la matière nucléonique. Ceci nous permet de fixer des contraintes strictes sur l'énergie de symétrie nucléaire, une quantité clé en (astro)physique nucléaire. Nous comparons l'expansion quadratique en isospin de l'équation d'état avec des calculs explicites de matière nucléaire asymétrique basés sur un ensemble d'hamiltoniens couramment utilisés, y compris les forces à deux et trois nucléons dérivées de la théorie du champ effectif chirale («chiral effective-field theory»). Nous étudions, en particulier, l'importance des contributions non quadratiques à l'énergie de symétrie. En outre, nous effectuons une analyse détaillée des implications de ces calculs pour la croûte des étoiles à neutrons. Pour cela, le modèle de la goutte liquide compressible est employé pour modéliser les agrégats dans l'écorce des étoiles à neutrons. Dans la partie II de la thèse, nous soulignons la nécessité de développer des modèles relativistes de la matière nucléaire qui permettent un lien entre les propriétés fondamentales de la QCD, telles que la brisure de symétrie chirale et le confinement, et les degrés de liberté nucléoniques naturels. À cet égard, nous présentons et explorons un modèle dans lequel la symétrie chirale est incorporée dans le modèle de champ moyen relativiste («Relativistic Mean Field», RMF) de type Walecka, ainsi que l'effet du confinement par la réponse du nucléon. Les prédictions de ce modèle chiral+confinement sont comparées à deux autres modèles : un autre modèle chiral - mais sans effet de confinement - et le modèle RMF original. Nous constatons que, si ces modèles sont calibrés sur les mêmes propriétés à la densité de saturation, ils diffèrent dans leurs prédictions lorsque la densité augmente. La partie III de cette thèse est consacrée à l'étude des transitions de phase qui pourraient conduire à l'existence de degrés de liberté exotiques dans les cœurs des étoiles à neutrons. Nous commençons par nous concentrer sur les transitions de phase de premier ordre, qui souvent adoucissent l'EoS et par conséquent réduisent la masse maximale ainsi que les rayons des NSs. Nous remettons en question cette hypothèse conventionnelle en construisant des exemples explicites d'EoSs subissant une transition de phase de premier ordre, mais qui sont beaucoup plus rigides que leurs homologues purement hadroniques. De plus, nous montrons que les transitions de phase pourraient être mises en évidence par des structures non triviales dans le comportement en densité de la vitesse du son, comme des sauts ou des bosses. Nous employons donc une approche agnostique de la physique pour modéliser la vitesse du son dans les étoiles à neutrons et nous étudions dans quelle mesure l'existence de structures non triviales peut être déduite des observations astrophysiques existantes des étoiles à neutrons. Nous concluons que les informations astrophysiques obtenues à ce jour ne démontrent pas nécessairement qu'il existe une transition de phase vers la matière de quarks. Enfin, nous discutons des implications des calculs de QCD perturbative pour l'équation d'état de la matière des étoiles à neutrons.

Understanding the properties of dense matter is one of the most outstanding challenges in nuclear (astro)physics. The purpose of this thesis is to contribute to this understanding in the framework of the study of neutron stars. Neutron stars are ideal realizations of dense matter. They contain dilute matter and inhomogeneous clusters in their crusts whereas the inner cores of neutron stars explore matter at the largest densities in the universe. The study of such neutron star matter is presented in this thesis in three parts. In part I, we study the behaviour of dense matter by employing a meta-modeling approach. This allows us to tightly constrain the nuclear symmetry energy, a key quantity in nuclear and astrophysics. We confront the standard quadratic isospin expansion of the equation of state with explicit asymmetric nuclear-matter calculations based on a set of commonly used Hamiltonians including two- and three-nucleon forces derived from chiral effective-field theory. We study, in particular, the importance of nonquadratic contributions to the symmetry energy. Furthermore, we perform a detailed analysis of the implications of these calculations for the crust of neutron stars. In order to do so, a compressible liquid drop model is employed to model the finite-sized clusters in the neutron star crust. Our analysis allows us to investigate the model dependence of the crust properties, and in particular the effects of the behaviour of neutron matter at low density. In Part II of the thesis, we emphasize the need to develop relativistic models of nuclear matter which allow for a link between the fundamental properties of QCD, such as chiral symmetry breaking and confinement, and the natural nucleonic degrees of freedom. In this regard, we present and explore a model in which chiral symmetry is incorporated within the Walecka type Relativistic Mean Field (RMF) model as well as the effect of confinement through the nucleon response. The predictions of this chiral+confinement model are compared to two other models: another chiral model - but without confinement effect - and the original RMF model. For these three models, we additionally take care of parameter uncertainties and propagate them to our predictions for dense matter properties employing Bayesian statistics. We find that, while these models are calibrated to the same properties at saturation density, they differ in their predictions as the density increases. Part III of this thesis is devoted to the study of phase transitions that could lead to the existence of exotic degrees of freedom in the inner cores of neutron stars. We begin with a focus on first-order phase transitions, which often softens the EoS and consequently reduces the maximum mass as well as the radii of NSs. We challenge this conventional expectation by constructing explicit examples of EoSs undergoing a first-order phase transition, but which are much stiffer than their purely hadronic counterparts. We also provide comparisons with the recently proposed quarkyonic EoS which suggests a strong repulsion in the core of NSs, and we show that their stiffness can be realistically masqueraded by first-order phase transitions to exotic matter. Furthermore, we enunciate the fact that phase transitions could be indicated by non-trivial structures in the density behavior of the speed of sound such as jumps and sharp peaks. We thus employ a physics-agnostic approach to model the speed of sound in neutron stars and study to which extent the existence of non-trivial structures can be inferred from existing astrophysical observations of neutron stars. We conclude that astrophysical information to date does not necessarily require a phase transition to quark matter. Finally, the implications of perturbative QCD calculations for the equation of state of neutron star matter are discussed.