Astrofysikere forklarer oprindelsen af ​​usædvanligt tunge neutronstjernebinære

En ny undersøgelse, der viser, hvordan eksplosionen af ​​en strippet massiv stjerne i en supernova kan føre til dannelsen af ​​en tung neutronstjerne eller et let sort hul, løser en af ​​de mest udfordrende gåder, der opstår ved påvisningen af ​​neutronstjernefusioner af gravitationsbølgen observatorier LIGO og Jomfruen.

Den første påvisning af gravitationsbølger af Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i 2017 var en neutronstjernefusion, der for det meste levede op til astrofysikernes forventninger. Men den anden opdagelse, i 2019, var en sammensmeltning af to neutronstjerner, hvis samlede masse var uventet stor.

"Det var så chokerende, at vi måtte begynde at tænke på, hvordan vi kunne skabe en tung neutronstjerne uden at gøre den til en pulsar, " sagde Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi og astrofysik ved UC Santa Cruz.

Kompakte astrofysiske objekter som neutronstjerner og sorte huller er udfordrende at studere, fordi når de er stabile, har de en tendens til at være usynlige, udsender ingen detekterbar stråling. "Det betyder, at vi er forudindtaget i, hvad vi kan observere, Ramirez-Ruiz forklarede. "Vi har detekteret binære neutronstjerner i vores galakse, når en af ​​dem er en pulsar, og masserne af disse pulsarer er næsten alle identiske - vi ser ingen tunge neutronstjerner."

LIGO's påvisning af en tung neutronstjernefusion med en hastighed svarende til det lettere binære system indebærer, at tunge neutronstjernepar burde være relativt almindelige. Så hvorfor dukker de ikke op i pulsarpopulationen?

I den nye undersøgelse, Ramirez-Ruiz og hans kolleger fokuserede på supernovaerne af strippede stjerner i binære systemer, der kan danne "dobbelte kompakte objekter" bestående af enten to neutronstjerner eller en neutronstjerne og et sort hul. En afklædt stjerne, også kaldet en heliumstjerne, er en stjerne, der har fået fjernet sin brintkappe ved dens interaktioner med en ledsagerstjerne.

Studiet, udgivet 8. oktober i Astrofysiske tidsskriftsbreve , blev ledet af Alejandro Vigna-Gomez, astrofysiker ved Københavns Universitets Niels Bohr Institut, hvor Ramirez-Ruiz har et Niels Bohr-professorat.

"Vi brugte detaljerede stjernemodeller til at følge udviklingen af ​​en strippet stjerne indtil det øjeblik, den eksploderer i en supernova, " sagde Vigna-Gomez. "Når vi når tidspunktet for supernovaen, vi laver en hydrodynamisk undersøgelse, hvor vi er interesserede i at følge udviklingen af ​​den eksploderende gas."

Den afklædte stjerne, i et binært system med en neutronstjerne-ledsager, starter ti gange mere massiv end vores sol, men så tæt, at den er mindre end solen i diameter. Det sidste trin i dens udvikling er en kerne-kollaps supernova, som efterlader enten en neutronstjerne eller et sort hul, afhængig af kernens endelige masse.

Holdets resultater viste, at når den massive afklædte stjerne eksploderer, nogle af dets ydre lag udstødes hurtigt fra det binære system. Nogle af de indre lag, imidlertid, ikke kastes ud og falder til sidst tilbage på den nydannede kompakte genstand.

"Mængden af ​​materiale, der ophobes afhænger af eksplosionsenergien - jo højere energi, jo mindre masse kan du beholde, " sagde Vigna-Gomez. "For vores ti-solmasse-strippede stjerne, hvis eksplosionsenergien er lav, det vil danne et sort hul; hvis energien er stor, den vil beholde mindre masse og danne en neutronstjerne."

Disse resultater forklarer ikke kun dannelsen af ​​tunge neutronstjerne-binære systemer, såsom den, der blev afsløret af gravitationsbølgebegivenheden GW190425, men også forudsige dannelsen af ​​neutronstjerne og lette sorte hul-binære, såsom den, der smeltede sammen i gravitationsbølgebegivenheden i 2020 GW200115.

En anden vigtig opdagelse er, at massen af ​​heliumkernen af ​​den strippede stjerne er afgørende for at bestemme arten af ​​dens interaktioner med dens neutronstjerne-ledsager og den ultimative skæbne for det dobbelte system. En tilstrækkelig massiv heliumstjerne kan undgå at overføre masse til neutronstjernen. Med en mindre massiv heliumstjerne, imidlertid, masseoverførselsprocessen kan omdanne neutronstjernen til en hurtigt roterende pulsar.

"Når heliumkernen er lille, det udvider sig, og masseoverførsel drejer neutronstjernen op for at skabe en pulsar, Ramirez-Ruiz forklarede. "Massive heliumkerner, imidlertid, er mere gravitationsbundet og udvider sig ikke, så der er ingen masseoverførsel. Og hvis de ikke spinder op til en pulsar, vi ser dem ikke."

Med andre ord, der kan meget vel være en stor uopdaget population af tunge neutronstjerne-binære i vores galakse.

"Overførsel af masse til en neutronstjerne er en effektiv mekanisme til at skabe hurtigt roterende (millisekunder) pulsarer, "Vigna-Gomez sagde. "At undgå denne masseoverførselsepisode, som vi foreslår, antyder, at der er en radiostille befolkning af sådanne systemer i Mælkevejen."