par Allard, Valentin 
Président du jury Tytgat, Michel
Promoteur Chamel, Nicolas
Publication Non publié, 2024-05-21
Président du jury Tytgat, Michel
Promoteur Chamel, Nicolas
Publication Non publié, 2024-05-21
Thèse de doctorat
| Résumé : | Neutron stars are remnants of gravitational-core collapse supernovae and provide a uniqueopportunity to explore matter under extreme conditions not reproducible on Earth. In particular,neutron stars are expected to contain nuclear superfluids in their interior. The presence ofsuch phases is supported by observations of pulsar frequency glitches, rapid decline in luminosityof the Cassiopeia A remnant and crust cooling in transiently accreting systems. Nuclearsuperfluidity presents a complex multifluid hydrodynamics. In this work, the influence of temperatureand currents in hot neutron-proton superfluid mixtures is studied within the nuclearenergy-density functional theory. Numerical computations using the Brussels-Montreal functionalsare performed, and the accuracy of several approximations is assessed. The physicalmeaning of the different velocities and momentum densities appearing in superfluid mixturesis clarified. The disappearance of superfluidity is also investigated and reveals the presence of adynamical “gapless" regime. The absence of an energy gap leads to the appearance of a normalfluid of quasiparticle excitations (whose properties are investigated) and also affects considerablythe nucleon specific heat, which is drastically enhanced compared to that obtained in theclassical BCS regime. General approximate analytical formulas for the nucleon specific heat arederived to facilitate their implementation in neutron-star cooling simulations. The implicationsfor the cooling of the crust of transiently accreted neutron stars is discussed. Focusing on twoparticular cases, for which the interpretation of their cooling has been challenged, cooling simulationsare performed accounting for neutron diffusion and allowing for gapless superfluidity.The results suggest that gapless superfluidity plays a key role and reconciles astrophysical observationswith microscopic theories of superfluidity. The various approximations made in thecooling model are discussed as well as the implications of gapless superfluidity to neutron vortexdynamics. Predictions that could be tested by future observations are also made. |
| Les étoiles à neutrons sont les vestiges des supernovae par effondrement gravitationnel etoffrent une opportunité unique d’explorer la matière dans des conditions extrêmes impossiblesà reproduire sur Terre. En particulier, les étoiles à neutrons sont supposées contenir dessuperfluides nucléaires dans leur intérieur. La présence de telles phases est corroborée parles observations de soubresauts de fréquence dans les pulsars, une diminution rapide de laluminosité dans le rémanant de Cassiopia A et, un refroidissement de la croûte dans les systèmesaccrétants sporadiquement. La superfluidité nucléaire présente une hydrodynamiquemultifluide complexe. Dans ce travail, l’influence de la température et des courants dans lesmélanges superfluides neutron-proton chauds est étudiée dans le cadre de la théorie de la fonctionnellede densité d’énergie nucléaire. Des calculs numériques utilisant les fonctionnelles deBruxelles-Montréal sont réalisés et la précision de plusieurs approximations est évaluée. La significationphysique des différents champs de vitesses et des densités d’impulsion est clarifiée.La disparition de la superfluidité est également étudiée et révèle la présence d’un régime dynamique“sans gap". L’absence de gap conduit à l’apparition d’un fluide normal d’excitationsde quasi-particules (dont les propriétés sont également étudiées) et affecte également, de façonconsidérable, la chaleur spécifique des nucléons qui est drastiquement augmentée par rapportà celle obtenue dans le régime classique BCS. Des formules analytiques approchées de lachaleur spécifique des nucléons sont dérivées en vue de faciliter leur implémentation dans lessimulations de refroidissement des étoiles à neutrons. Les implications de ce régime pour le refroidissementde la croûte des étoiles à neutrons en accrétion sont discutées. En se concentrantsur deux systèmes particuliers pour lesquels l’interprétation de leur refroidissement est problématique,des simulations de refroidissement sont réalisées en tenant compte de la diffusiondes neutrons et du régime “sans gap". Les résultats suggèrent que la superfluidité sans gapjoue un rôle clé et réconcilie les observations astrophysiques avec les théories microscopiquesde la superfluidité. Les différentes approximations faites dans le modèle de refroidissementsont aussi discutées ainsi que les implications de la superfluidité sans gap dans la dynamiquedes tourbillons de neutrons. Des prédictions qui pourraient être testées par des observations futures sont également formulées. |
