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Nuclear pasta in neutron stars

par Shchechilin, Nikolai
Président du jury Lopez Honorez, Laura
Promoteur Chamel, Nicolas
Co-Promoteur Goriely, Stéphane
Publication Non publié, 2026-04-10

Thèse de doctorat

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Résumé :

Theory has long predicted the presence of a nuclear pasta mantle between the crust and the core of a neutron star. This layer, consisting of exotic nuclear shapes, can impact the mechanical and transport properties of superdense matter, thus playing an important role in the dynamics and evolution of neutron stars. We investigate its constitution within the nuclear density functional theory. We employ a series of extended Skyrme energy-density functionals whose parameters are finely calibrated to (i) the properties of finite nuclei across the entire nuclear chart and (ii) state-of-the-art ab initio predictions for infinite symmetric nuclear matter and pure neutron matter. Additionally, we improve the pairing channel to reproduce microscopic pairing gaps at arbitrary isospin asymmetries. This latest Brussels-Montreal parametrization is thus particularly well-suited for simulating deformed nuclear clusters immersed in a superfluid medium. Throughout the study, we compare different levels of approximations. Within the semiclassical approach, we observe that pasta always form in the same order. Shape transitions occur whenever the volume fraction occupied by proton clusters u exceeds some threshold value. Specifically, spherical clusters turn into pasta at u≈0.14. This quasi-universality of pasta transitions is explained in a physically transparent way within the liquid-drop model. The role of the symmetry energy is outlined. However, when quantal shell effects are considered perturbatively, the pasta layer shrinks dramatically. This is due to the vanishing of spaghetti and the enhanced stability of ordinary spherical clusters. As a final check, we carry out three-dimensional, fully quantum-mechanical simulations. Spurious boundary effects could only be eliminated by enlarging the computational domains to encompass three to five cluster replicas in each direction. The resulting boxes contain up to 80 000 particles, an unprecedented number for static nuclear mean-field calculations. Through these simulations, we have observed the formation of spaghetti and lasagna configurations below the critical density for which matter becomes homogeneous. The validity of the semiclassical and geometric approximations is analyzed further. Overall, our simulations confirm the presence of pasta and open a wide range of possibilities to study their elastic and transport properties at the quantum-mechanical level. They also provide a platform for future exploration of pasta vibrations and superfluid dynamics. All this will help to reveal pasta's imprints on the magneto-thermal evolution, oscillations, and the emission of gravitational waves by neutron stars.

La théorie prédit depuis longtemps la présence d’un manteau de pâtes nucléaires entre la croûte et le cœur d’une étoile à neutrons. Cette couche, composée d’agrégats aux formes exotiques, peut influencer les propriétés mécaniques et de transport de la matière superdense, jouant ainsi un rôle important dans la dynamique et l’évolution des étoiles à neutrons. Nous étudions sa constitution à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité nucléaire. Nous utilisons une série de fonctionnelles dont les paramètres sont finement calibrés sur (i) les propriétés des noyaux dans toute la carte des nucléides et (ii) les prédictions ab initio de l’état de l’art pour la matière neutronique pure et symétrique infinie. De plus, nous améliorons le canal d’appariement afin de reproduire les énergies d’appariement microscopiques pour des asymétries d’isospin arbitraires. Nos paramétrisations les plus récentes sont ainsi particulièrement adaptées à la simulation d’agrégats nucléaires déformés immergés dans un milieu superfluide. À travers toute la thèse, nous comparons différents niveaux d’approximation. Dans le cadre de l’approche semiclassique, nous observons que les structures de pâtes se forment dans le même ordre. Les transitions de forme se produisent lorsque la fraction volumique occupée par les agrégats de protons u excède une certaine valeur seuil. En particulier, les agrégats sphériques se transforment en plates pour u≈0.14. Cette quasi-universalité des transitions est expliquée de manière physiquement transparente par le modèle de la goutte liquide. Le rôle de l’énergie de symétrie est mis en évidence. Cependant, lorsque les effets de couches quantiques sont considérés de manière perturbative, la région des pâtes se rétrécit considérablement. Ceci est dû à la disparition des spaghetti et à la stabilité accrue des agrégats sphériques. En dernier recours, nous effectuons des simulations tridimensionnelles entièrement quantiques. L’effet des conditions aux limites périodiques n’a pu être éliminé qu’en agrandissant les domaines de calcul pour englober trois à cinq répliques d’agrégats dans chaque direction. Les boîtes de calcul résultantes contiennent jusqu’à 80 000 particules, un nombre sans précédent pour les calculs statiques de champ moyen nucléaire. Au travers de ces simulations, nous avons observé la formation de spaghetti et de lasagne en dessous de la densité critique où la matière devient homogène. La validité des approximations semiclassiques et géométriques est ensuite approfondie. Globalement, nos simulations confirment la présence de ces structures et ouvrent un large éventail de possibilités pour étudier leurs propriétés élastiques et de transport au niveau quantique. Elles constituent également une plateforme pour l’exploration future des vibrations et de la dynamique des superfluides. Tout ceci contribuera à révéler l’influence des pâtes sur l’évolution magnéto-thérmique, les oscillations et l’émission d’ondes gravitationnelles par les étoiles à neutrons.