Equation of state of matter at supra-nuclear density and application to the thermal emission of neutron stars

Équation d’état de la matière à densité supranucléaire et application à l’émission thermique des étoiles compactes

Nicolas Baillot d'Étivaux (1)

1 IPNL - Institut de Physique Nucléaire de Lyon

This thesis concerns theoretical modeling of the equation of state (EoS) describing nuclear matter in the core of neutron stars (NS), under the hypothesis that no phase transition occurs. We use a meta-model which is able to i) directly incorporate nuclear physics knowledge on the form of empirical parameters such as the nuclear saturation density, the incompressibility or the symmetry energy; ii) reproduce most of the existing models; iii) explore new behaviors at high densities in a very flexible way. For each EoS, we determine a set of solutions for the masses and radii of NS, and we make a first selection of the EoS that are compatible with the stability and causality constraints, as well as the maximum observed mass of NS. Then we confront these EoS to observational data coming from thermal emission in the soft X-ray domain, for 7 NS carefully chosen. For the first time, the theoretical modeling of the EoS is directly implemented in the data analysis. We use the recent measurments of GAIA II to constrain the distance to the NS. The parameters of the modeling of thermal emission as well as the empirical parameters entering in the EoS are determined by Bayesian methods using a Monte-Carlo by Morkov Chain algorithm. Therefore, we determine the surface effective tempreature, the masses and radii of NS, as well as some empirical nuclear parameters such as the density dependance of the symmetry energy (Lsym), the isovector incompressibility (Ksym), or the isoscalar squewness (Qsat)

Cette thèse porte sur la modélisation théorique de l'équation d’état (EE) décrivant la matière nucléaire présente dans le coeur des étoiles à neutrons (EN), sous l'hypothèse qu'aucune transition de phase ne s'y produise. Nous utilisons un méta-modèle permettant i) d’incorporer directement les connaissances en physique nucléaire sous la forme de paramètres empiriques tels que la densité de saturation nucléaire, l’incompressibilité, l’énergie de symétrie; ii) de reproduire la plupart des modèles nucléoniques existants; et iii) d’explorer les régions inconnues à haute densité de façon la plus large possible. Pour chaque EE, nous déterminons un ensemble de solutions pour la masse et le rayon des EN, et nous effectuons une première sélection des EE compatibles avec la stabilité et la causalité de la matière nucléaire, ainsi que la masse maximale connues des EN. Nous confrontons ensuite ces EE aux observations d’émission thermique dans la gamme des rayons-X pour 7 EN soigneusement choisies. Pour la première fois, la modélisation théorique des EE est directement introduite dans l’analyse des données. Nous utilisons les dernières mesures effectuées par GAIA II pour fixer la distance des EN. Les paramètres du modèle d’émission thermique et de l’EE sont déterminés selon une méthode Bayésienne basée sur un algorithme Monte-Carlo par Chaîne de Markov. Nous déterminons ainsi la température de surface, la masse et le rayon des EN, ainsi que sur la valeur de certains paramètres empiriques tels que la dépendance en densité de l'énergie de symétrie (Lsym), la contribution isovectorielle au module d’incompressibilité (Ksym) ou encore le paramètre de distorsion isoscalaire (Qsat)

Mots clés: Equation of state; Meta-model; Nuclear matter; Empirical parameters; Neutron stars; Thermal emission; QLMXB; Monte-Carlo by Markov Chain

Mots clés: Équation d’état; Méta-modèle; Matière nucléaire; Paramètres empiriques; Étoiles à neutrons; Émission thermique; QLMXB; Monte-Carlo par Chaîne de Markov

Domaines: Astrophysique [astro-ph]

Nicolas Baillot d'Étivaux. Équation d’état de la matière à densité supranucléaire et application à l’émission thermique des étoiles compactes. Astrophysique [astro-ph]. Université de Lyon, 2018. Français. ⟨NNT : 2018LYSE1168⟩. ⟨tel-02002295⟩