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High-Density Nucleonic Matter in Neutron Stars: A Novel Non-Parameterized Covariant Energy Density Functional Framework

Authors: João Cartaxo

Supervisors: Tuhin Malik, Constança Providência

MSc thesis, UC - Dissertações de Mestrado (supervisores: Tuhin Malik, Constança Providência) (2025)

Abstract: As estrelas de neutrões constituem laboratórios naturais para investigar as propriedades da matéria ultra-densa e para impor restrições à equação de estado (EOS) nuclear. A modelação destes sistemas requer um cuidadoso equilíbrio entre flexibilidade fenomenológica e consistência teórica, especialmente em regimes onde os dados experimentais são escassos. As abordagens tradicionais baseadas em funcionais de densidade de energia covariantes (CEDFs) demonstraram um considerável sucesso na reprodução de observações astrofísicas, mas existem diferenças notáveis nas suas previsões em densidades supra-nucleares. Estas discrepâncias demonstram a sensibilidade das propriedades das estrelas de neutrões às parametrizações da EOS e a necessidade de estruturas que surpassam as limitações de funcionais fixos.Este trabalho primeiro apresenta uma avaliação dos atuais modelos de EOS baseados em CEDF, avaliando a sua consistência com referencias teóricas, experimentais e observacionais. Esta análise comparativa identifica as principais incertezas associadas aos modelos, nomeadamente nas curvas de Massa-Raio, na fração de protões e na dependência da densidade da velocidade do som. Estes resultados motivam o desenvolvimento de uma estratégia alternativa nos modelos capaz de conciliar flexibilidade com interpretabilidade física.Para tal, é introduzida uma nova estrutura de campo médio relativista (RMF), na qual parametrizações guiadas por dados substituem funcionais pré-especificados. Ao usar acoplamentos adaptáveis baseados em curvas de Bézier dentro de uma inferência Bayesiana, o modelo atinge a versatilidade das abordagens agnósticas, mantendo-se dentro da teoria de campos relativista. Sistematicamente restringida por dados da física nuclear e restrições teóricas, esta abordagem fornece previsões fiáveis para a EOS.Os resultados suportam que esta abordagem unifica com sucesso as vantagens dos modelos fenomenológicos, com a flexibilidade das abordagens agnósticas, oferecendo uma ferramenta robusta para explorar matéria densa numa era da astronomia multi-mensageira. Deste modo, a tese fornece tanto uma reavaliação abrangente dos modelos existentes como uma nova estrutura capaz de avançar a nossa capacidade de investigar a física fundamental das estrelas de neutrões. Neutron stars provide a natural laboratory for probing the properties of ultra-dense matter and constraining the nuclear equation of state (EOS). The reliable modelling of such systems requires a careful balance between phenomenological flexibility and theoretical consistency, particularly in regimes where experimental data are scarce. Traditional approaches based on covariant energy density functionals (CEDFs) have demonstrated considerable success in reproducing current astrophysical observations, yet notable differences remain in their predictions at supra-nuclear densities. These discrepancies highlight the sensitivity of neutron star properties to the underlying EOS parametrizations and the need for frameworks that extend beyond the limitations of fixed functional forms.This work first presents a systematic survey of existing CEDF-based EOS models, assessing their consistency with theoretical, experimental, and observational benchmarks. This comparative analysis identifies the main uncertainties associated with the models, particularly regarding the Mass-Radius domain, the proton fraction, and the density dependence of the speed of sound. These findings motivate the development of an alternative modelling strategy capable of reconciling flexibility with physical interpretability.To this end, a novel relativistic mean-field (RMF) framework is introduced, in which data-driven parametrizations replace pre-specified functional dependencies. By employing the adaptive Bézier curve based couplings within a Bayesian inference scheme, the model achieves the versatility of meta-modelling approaches while remaining firmly grounded in the relativistic field theory. Systematically constrained by theoretical constrains and nuclear physics data, the framework provides reliable EOS predictions.The results demonstrate that this approach successfully unifies the advantages of phenomenological methods with the flexibility of model-agnostic approaches, offering a robust tool for exploring dense matter in the era of multi-messenger astronomy. In doing so, the thesis provides both a comprehensive reassessment of existing EOS models and a new framework that advances our ability to probe the fundamental physics of neutron stars.

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