Inférence bayésienne sur les données nucléaires et les observations d’étoiles à neutrons pour l’équation d’état nucléaire

Les étoiles à neutrons présentent des densités (n) allant de valeurs inférieures à la densité de saturation nucléaire (n0 = 0,16 fm−3) dans la croûte, à plusieurs fois cette densité au centre, avec une densité moyenne comparable à celle de l’intérieur d’un noyau (n0). Les résultats de la QCD perturbative à des densités beaucoup plus élevées (∼ 40 n0) ont été utilisés avec succès pour imposer des contraintes sur l’équation d’état (EoS) des étoiles à neutrons jusqu’aux densités pertinentes pour le centre de l’étoile. Dans le régime de faible densité, les fonctionnelles de densité d’énergie nucléaires (EDF), fondées sur les théorèmes de Hohenberg-Kohn, ainsi que les interactions effectives chirales résolues dans un cadre rigoureux de physique à plusieurs corps, ont permis de contraindre l’EoS de l’étoile jusqu’à environ 2 n0. Il est donc évident que la physique nucléaire basse énergie a le potentiel d’imposer des contraintes strictes sur la physique de l’étoile.Récemment, deux observables nucléaires, supposées être étroitement liées à la physique des étoiles à neutrons à des densités proches de n0, ont mis la théorie nucléaire au défi. Ces observables sont la polarisabilité dipolaire électrique du noyau – en un sens analogue à la déformabilité de marée dans une étoile – et l’asymétrie à violation de parité – très sensible à la pression ressentie par les neutrons à la surface du noyau atomique. Aucun modèle, à ce jour, n’est capable de décrire ces deux observables (à 1 écart-type près).Le but de ce projet est d’étudier l’équation d’état (EoS) nucléaire à l’aide d’un formalisme EDF capable de décrire correctement les observables mentionnées ci-dessus et incluant des erreurs théoriques statistiquement solides, afin de relier ces informations à l’étude des étoiles à neutrons.Dans l’ansatz fonctionnel standard de Skyrme, nous construisons une distribution de probabilité fiable combinant des paramètres de la matière nucléaire et des paramètres de Skyrme (nécessaires pour contraindre tous les termes de la fonctionnelle), en utilisant une inférence bayésienne basée sur un vaste ensemble de données de structure nucléaire sensibles à l’EoS. Au-delà des propriétés usuelles de l’état fondamental, telles que les énergies de liaison et les rayons de charge, nous avons également inclus les polarisabilités et asymétries à violation de parité très débattues de 208Pb et 48Ca, qui imposent des contraintes strictes sur les paramètres J et L, tous deux cruciaux pour l’énergie de symétrie.L’analyse bayésienne aboutit à une distribution de probabilité multidimensionnelle à dix paramètres pour les caractéristiques de la matière nucléaire et les paramètres de Skyrme. La marginalisation de la distribution sur tous les paramètres sauf un permet une comparaison avec des analyses plus simples de la littérature, ce qui sera présenté au cours de l’exposé.En outre, la distribution a posteriori peut être utilisée comme distribution a priori dans une analyse bayésienne ultérieure, cette fois en utilisant des observations astrophysiques comme contraintes. Ainsi, cette seconde distribution a posteriori des paramètres de la matière nucléaire sera informée à la fois par la physique nucléaire et par l’astrophysique. Nous montrerons que les contraintes issues des expériences nucléaires sont compatibles avec les prédictions théoriques pour la matière neutronique infinie pure obtenues par modélisation ab initio, et qu’elles indiquent également l’existence de structures intéressantes dans l’EoS des étoiles à neutrons. Nous discuterons les prédictions finales concernant certaines propriétés statiques sélectionnées des étoiles à neutrons, qui peuvent être calculées à partir de la distribution des paramètres de matière nucléaire. Nous porterons une attention particulière à la composition de la croûte de l’étoile, calculée de manière cohérente avec l’EoS stellaire dans le cadre du formalisme de Thomas-Fermi étendu.