The equation of state of the Hydrogen-Helium mixture with application to the Sun
Equation d’état du mélange hydrogen-helium à basse densité et application au Soleil
Résumé
The study of the thermodynamic properties of a multi-component quantum Coulomb system is of fundamental theoretical interest and has, beyond that, a wide range of applications. The Hydrogen-Helium mixture can be found in the interstellar nebulae and giant planets, however the most prominent example is the Sun. Here the interaction between the electrons and the nuclei is almost purely electrostatic.In this work we study the equation of state of the Hydrogen-Helium mixture starting from first principles, meaning the fundamental Coulomb interaction of its constituting particles. In this context we develop numerical methods to study the few-particle clusters appearing in the theory by using the path integral language. To capture the effects of the long-range Coulomb interaction between the fundamental particles, we construct a new version of Mayer-diagrammatic, which is appropriate for our purposes. In a first step, we ameliorate the scaled-low-temperature (SLT) equation of state, valid in the limit of low density and low temperature, by taking three-body terms into account and we compare the predictions to the well-established OPAL equation of state. Higher densities are accessed by direct inversion of the density equations and by the use of cluster functions that include screening effects. These cluster functions put the influence of screening on the ionization, unto now treated ad-hoc, on a theoretically well-grounded basis. We also inspect other equilibrium quantities such as the speed of sound and the inner energy. In the last part we calculate the equation of state of the Hydrogen-Helium mixture including the charged He+ ions in the screening process. Our work gives insights in the physical content of previous phenomenological descriptions and helps to better determine their range of validity. The equation of state derived in this thesis is expected to be very precise as well as reliable for conditions found in the Sun.
L’étude des propriétés d’équilibre d’un système Coulombien quantique à plusieurs composantes présente un intérêt théorique fondamental, au-delà de ses nombreuses applications. Le mélange hydrogène-hélium est omniprésent dans la nébuleuse interstellaire ou les planètes géantes, et c’est aussi le constituant majoritaire du Soleil, où les interactions entre électrons et noyaux sont purement électrostatiques en première approximation.Ce travail est dévolu à l’équation d’état de ce mélange vu comme un plasma quantique constitué de protons, de noyaux d’Hélium et d’électrons. Dans ce cadre, nous développons des méthodes numériques pour estimer des intégrales de chemin représentant des ingrédients essentiels. En outre, nous construisons une nouvelle version de la diagrammatique à la Mayer resommée bien adaptée à nos objectifs.Tout d’abord, nous améliorons le double développement basse température et basse densité, dit SLT, pour l’hydrogène pur, grâce à de meilleures estimations des termes à trois corps, les résultats étant par ailleurs comparés à la fameuse équation d’état OPAL. Les densités plus élevées sont atteintes de manière non-perturbative, en utilisant des fonctions de partition d’entités recombinées suffisamment précises. Ainsi l’ionisation par pression est décrite sur une base théorique robuste. Nous étudions également d’autres quantités d’équilibre, comme l’énergie interne et la vitesse du son. Dans la dernière partie, nous calculons l’équation d’état du mélange hydrogène-hélium en incluant les effets d’écran associés aux ions He+, ainsi que des corrections à la Debye déterminées de manière auto-cohérente. Nos résultats nous permettent de comprendre le contenu physique d’approches ad-hoc et de déterminer leurs régimes de validité. Nous obtenons aussi une description plus fiable du mélange, qui devrait être précise le long de l'adiabate du Soleil.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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