Published September 25, 2020 | Version v1
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Modeling the (proto)neutron star crust: toward a controlled estimation of uncertainties

Description

The main aim of this thesis is to make realistic predictions and to investigate the sources of uncertainties in the observables of non-accreting 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 non-accreting 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. (author)

Abstract (French)

L'objectif principal de cette these est de fournir des predictions realistes et d'etudier les sources d'incertitudes sur les observables des etoiles a neutrons froides isolees et des protoetoiles a neutrons chaudes. Ces predictions doivent s'accorder avec les contraintes actuelles fournies par les experiences en physique nucleaire, les developpements en theorie des perturbations chirales et les observations astrophysiques. Une approche unifiee de metamodelisation a ete introduite pour calculer la composition et l'equation d'etat des etoiles a neutrons froides isolees pour toute fonctionnelle de matiere nucleaire. Une determination bayesienne des parametres de l'equation d'etat a ete effectuee, conduisant a des predictions realistes pour les observables de l'etoile. a temperature finie, l'equilibre statistique complet des ions dans la croute a ete considere, permettant entre autres le calcul du parametre d'impurete. Les resultats sont compatibles avec les contraintes deduites de GW170817 et tendent a indiquer que le phenomene de glitch ne peut pas uniquement tirer son origine de la physique de la croute. Des deviations dans la composition de la croute par rapport a la matiere catalysee froide sont observees a la temperature de cristallisation. Les resultats montrent que la contribution des impuretes n'est pas negligeable, ce qui pourrait avoir un impact sur les proprietes de transport dans la croute. Une plus grande precision dans la determination des derivees d'ordre eleve de l'energie de symetrie dans les experiences et/ou la theorie des perturbations chirales, et dans la connaissance de l'energie de surface a des isospins extremes est necessaire pour reduire les incertitudes sur les observables de la croute. Le cadre numerique developpe au cours de cette these peut servir de base a des recherches futures. (auteur)

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Original title (English)
Modelisation de la croute des (proto)etoiles a neutrons: vers une estimation controlee des incertitudes

Publishing Information

Imprint Pagination
199 p.
Report number
FRNC-TH--12609

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Notes
195 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses