In die laat stadiums van binêre neutronstervorming brei die reusester uit en verswelg die neutronstermetgesel in 'n stadium waarna verwys word as gemeenskaplike-omhulsel-evolusie (a). Uitwerping van die omhulsel laat die neutronster in 'n noue wentelbaan met 'n gestroopte-omhulselster. Die evolusie van die sisteem hang af van die massaverhouding. Minder massiewe gestroopte sterre ervaar 'n bykomende massa-oordragfase wat die ster verder stroop en die pulsarmetgesel herwin, wat lei tot stelsels soos die waargenome binêre neutronsterre in die Melkweg en GW170817 (b). Meer massiewe gestroopte sterre brei nie soveel uit nie, en vermy dus verdere stroping en gepaardgaande herwinning, wat lei tot stelsels soos GW190425 (c). Uiteindelik sal selfs meer massiewe gestroopte sterre tot swartgat-neutronster-binêres soos GW200115 (d) lei. Krediet: Vigna-Gomez et al., ApJL 2021
Astrofisici verduidelik die oorsprong van buitengewoon swaar neutronster-binaries
Simulasies van supernova-ontploffings van massiewe sterre gepaard met neutronsterre kan verwarrende resultate van gravitasiegolf-sterrewagte verklaar.
'n Nuwe studie wat wys hoe die ontploffing van 'n gestroopte massiewe ster in 'n supernova kan lei tot die vorming van 'n swaar neutron ster of 'n lig swart gat los een van die mees uitdagende raaisels op om na vore te kom uit die opsporing van neutronstersamesmeltings deur die gravitasiegolf-sterrewagte ligo en Maagd.
Die eerste opsporing van gravitasiegolwe deur die Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in 2017 was 'n neutronstersamesmelting wat meestal aan die verwagtinge van astrofisici voldoen het. Maar die tweede opsporing, in 2019, was 'n samesmelting van twee neutronsterre waarvan die gesamentlike massa onverwags groot was.
"Dit was so skokkend dat ons moes begin dink oor hoe om 'n swaar neutronster te skep sonder om dit 'n pers,” het Enrico Ramirez-Ruiz, professor in sterrekunde en astrofisika aan UC Santa Cruz gesê.
Kompakte astrofisiese voorwerpe soos neutronsterre en swart gate is uitdagend om te bestudeer, want wanneer hulle stabiel is, is hulle geneig om onsigbaar te wees en geen waarneembare straling uit te straal nie. "Dit beteken dat ons bevooroordeeld is in wat ons kan waarneem," het Ramirez-Ruiz verduidelik. “Ons het tweevoudige neutronsterre in ons sterrestelsel opgespoor wanneer een van hulle ’n pulsar is, en die massas van daardie pulsars is byna almal identies—ons sien geen swaar neutronsterre nie.”
LIGO se opsporing van 'n swaar neutronstersamesmelting teen 'n tempo soortgelyk aan die ligter binêre stelsel impliseer dat swaar neutronsterpare relatief algemeen behoort te wees. So hoekom verskyn hulle nie in die pulsar bevolking nie?
In die nuwe studie het Ramirez-Ruiz en sy kollegas gefokus op die supernovas van gestroopte sterre in binêre stelsels wat "dubbel kompakte voorwerpe" kan vorm wat bestaan uit óf twee neutronsterre óf 'n neutronster en 'n swart gat. ’n Gestroopte ster, ook genoem ’n heliumster, is ’n ster waarvan sy waterstofomhulsel verwyder is deur sy interaksies met ’n metgeselster.
Die studie, gepubliseer op 8 Oktober 2021, in Astrofisiese Journal Briewe, is gelei deur Alejandro Vigna-Gomez, 'n astrofisikus aan die Universiteit van Kopenhagen se Niels Bohr Instituut, waar Ramirez-Ruiz 'n Niels Bohr Professorskap beklee.
"Ons het gedetailleerde stermodelle gebruik om die evolusie van 'n gestroopte ster te volg tot die oomblik dat dit in 'n supernova ontplof," het Vigna-Gomez gesê. "Sodra ons die tyd van die supernova bereik, doen ons 'n hidrodinamiese studie, waar ons belangstel om die evolusie van die ontploffende gas te volg."
Die gestroopte ster, in 'n binêre stelsel met 'n neutronstermetgesel, begin tien keer meer massief as ons son, maar so dig is dit kleiner as die son in deursnee. Die laaste stadium in sy evolusie is 'n kern-ineenstortingssupernova, wat óf 'n neutronster óf 'n swart gat agterlaat, afhangende van die finale massa van die kern.
Die span se resultate het getoon dat wanneer die massiewe gestroopte ster ontplof, sommige van sy buitenste lae vinnig uit die binêre stelsel uitgestoot word. Sommige van die binnelae word egter nie uitgewerp nie en val uiteindelik terug op die nuutgevormde kompakte voorwerp.
"Die hoeveelheid materiaal wat opgebou word, hang af van die ontploffingsenergie - hoe hoër die energie, hoe minder massa kan jy hou," het Vigna-Gomez gesê. “Vir ons tien-sonmassa-gestroopte ster, as die ontploffingsenergie laag is, sal dit ’n swart gat vorm; as die energie groot is, sal dit minder massa behou en ’n neutronster vorm.”
Hierdie resultate verduidelik nie net die vorming van swaar neutronster-binêre stelsels, soos die een wat deur die gravitasiegolfgebeurtenis GW190425 geopenbaar is nie, maar voorspel ook die vorming van neutronster- en ligte swartgat-binêre stelsels, soos die een wat saamgesmelt het in die 2020 gravitasie golf gebeurtenis GW200115.
Nog 'n belangrike bevinding is dat die massa van die heliumkern van die gestroopte ster noodsaaklik is om die aard van sy interaksies met sy neutronstermetgesel en die uiteindelike lot van die binêre stelsel te bepaal. 'n Voldoende massiewe heliumster kan die oordrag van massa na die neutronster vermy. Met 'n minder massiewe heliumster kan die massa-oordragproses egter die neutronster in 'n vinnig draaiende pulsar omskep.
"Wanneer die heliumkern klein is, brei dit uit, en dan draai massa-oordrag die neutronster op om 'n pulsar te skep," het Ramirez-Ruiz verduidelik. “Massiewe heliumkerne is egter meer gravitasiegebonde en sit nie uit nie, so daar is geen massa-oordrag nie. En as hulle nie in ’n pulsar draai nie, sien ons hulle nie.”
Met ander woorde, daar kan heel moontlik 'n groot onopgemerkte bevolking van swaar neutronster-binêres in ons sterrestelsel wees.
"Die oordrag van massa na 'n neutronster is 'n effektiewe meganisme om vinnig draaiende (millisekonde) pulsars te skep," het Vigna-Gomez gesê. “Om hierdie massa-oordrag-episode te vermy soos ons voorstel, dui daarop dat daar 'n radiostil bevolking van sulke stelsels in die Melkweg. "
Verwysing: "Fallback Supernova Assembly of Heavy Binary Neutron Stars and Light Black Hole-Neutron Star Pairs and the Common Stellar Ancestry of GW190425 and GW200115" deur Alejandro Vigna-Gómez, Sophie L. Schrøder, Enrico Ramirez-Ruiz, David R. Dena, Aldo Batta, Norbert Langer en Reinhold Willcox, 8 Oktober 2021, Astrofisiese Journal Briewe.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac2903
Benewens Vigna-Gomez en Ramirez-Ruiz, sluit die mede-outeurs van die referaat Sophie Schroder by die Niels Bohr-instituut in; David Aguilera-Dena aan die Universiteit van Kreta; Aldo Batta by die Nasionale Instituut vir Astrofisika in Mexiko; Norbert Langer aan die Universiteit van Bonn, Duitsland; en Reinhold Willcox aan die Monash Universiteit, Australië. Hierdie werk is ondersteun deur die Heising-Simons-stigting, die Deense Nasionale Navorsingstigting en die Amerikaanse Nasionale Wetenskapstigting.
