SUPERFLUIDITY IN NEUTRON STARS

Résumé
A des densités ≥ 4.3 x 10¹¹ g/cc, la matière contient probablement des neutrons à la fois dans les noyaux et à l'état libre dans un état superfluide. Selon la valeur du moment de Fermi les nucléons produisent "le trou d'énergie" (nécessaire pour la superfluidité) par une interaction ¹S₀ (aux densités les moins élevées) ou ³P₂ (aux plus hautes densités). Au-dessus de (2-2.4) 10¹⁴ g/cc les protons deviennent supraconducteurs, au moment où les noyaux se dissolvent. Les électrons ne deviennent pas superfluides aux températures auxquelles on s'intéresse, mais un condensat de pions peut apparaître aux densités plus élevées. Protons et neutrons foment des réseaux de vortex quantifiés. Les premiers, en réponse à la rotation de l'étoile, les seconds en réponse au champ magnétique. La structure détaillée de ces réseaux dans l'étoile dépend en premier lieu de la température et des profils de densité ainsi que du passé cinématique de l'étoile. La dynamique des vortex fait intervenir les modes cohérents des vortex libres ("ondes sonores"), l'accrochage des axes des vortex sur les noyaux ou leur insertion interstitielle dans le réseau de noyaux et la diffusion des axes des vortex par les sites d'accrochage et par les composants chargés de la matière stellaire. Cette dynamique peut être décrite en termes de particules ponctuelles tant que les vitesses et les forces varient sur des échelles plus grandes que les dimensions d'un vortex et tant que les effets de la frontière sphérique sont petits. Dans la phase ³P₂ la dégénérescence du niveau à deux neutrons J = 2 peut conduire à une plus grande complexité dynamique. Les conséquences observationnelles et la confirmation de la superfluidité dans les étoiles à neutrons (pulsars cornme sources X) peuvent être, entre autres : i) les échelles de temps macroscopiques après les "glitch", résultant du couplage entre composantes "normale" et superfluide ; ii) les "glitches" causés par les décrochages des vortex ou par des brisures de croûte dues aux vortex accrochés ; iii) la modulation possible à long terme de la période de rotation par les modes cohérents des vortex ; et iv) les effets gyroscopiques dus à l'accrochage de la vorticité.

Abstract
Matter at densities ≥ 4.3 x 10¹¹ g/cc is expected to contain neutrons both inside and outside of nuclei, which are in a superfluid state. At the relevant Fermi momenta, the effective gap-producing nucleon-nucleon interaction is ¹S₀ (lower densities) or ³P₂ (higher densities). At densities ≥ 2-2.4) x 10¹⁴ g/cc the protons become superconducting too, as nuclei dissolve. Electrons are not expected to be superfluid at the relevant temperatures but a pionic Bose condensate may appear at higher densities. Both neutrons and protons form quantized vortex arrays : The first - in response to the stellar rotation, the second - in response to its magnetic field. The detailed structure of these arrays throughout the star depends primarily on the temperature and density profiles and on the kinematic history of the star. Vortex dynamics include coherent ("sound waves") modes of free vortices, pinning of vortex cores onto nuclei or as interstitials in the nuclear lattice and scattering of vortex cores by pinning sites and by the charges stellar components. This dynamics can be described as the dynamics of point particles, as long as velocities and forces vary only on scales larger than the size of vortex cores and as long as effects of the spherical boundary are small. In the ³P₂ phase, the degeneracy of the J = 2 two-neutron state may lead to further dynamical complexity. Observational consequences - and confirmation - or the interior superfluid state of neutron stars, both as pulsars and as X-ray sources, can be, among others : (i) The macroscopic "post-glitch" time scales, resulting from coupling between "normal" and superfluid components ; (ii) "glitches" due to unpinning events or to crust breaking by pinning vortices ; (iii) Possible long term modulation in rotation period, resulting from vortex coherent modes ; and (iv) Gyroscopic effects of pinned vorticity.