In den späten Stadien der Entstehung zweier Neutronensterne dehnt sich der Riesenstern aus und verschlingt den Neutronenstern-Begleiter in einem Stadium, das als Evolution der gemeinsamen Hülle bezeichnet wird (a). Der Auswurf der Hülle lässt den Neutronenstern in einer engen Umlaufbahn mit einem Stern mit abgestreifter Hülle zurück. Die Entwicklung des Systems hängt vom Massenverhältnis ab. Weniger massereiche gestrippte Sterne erfahren eine zusätzliche Massentransferphase, die den Stern weiter streift und den Pulsarbegleiter recycelt, was zu Systemen wie den beobachteten binären Neutronensternen in der Milchstraße und GW170817 (b) führt. Massivere gestrippte Sterne dehnen sich nicht so stark aus, wodurch weiteres Strippen und Companion-Recycling vermieden werden, was zu Systemen wie GW190425 (c) führt. Schließlich werden noch massereichere abgestreifte Sterne zu Schwarzloch-Neutronenstern-Doppelsystemen wie GW200115 (d) führen. Quelle: Vigna-Gomez et al., ApJL 2021
Astrophysiker erklären den Ursprung von ungewöhnlich schweren Neutronenstern-Doppelsternen
Simulationen von Supernova-Explosionen massereicher Sterne gepaart mit Neutronensternen können rätselhafte Ergebnisse von Gravitationswellen-Observatorien erklären.
Eine neue Studie zeigt, wie die Explosion eines abgestreiften massereichen Sterns in einer Supernova zur Bildung eines schweren Sterns führen kann Neutronenstern oder ein Licht schwarzes Loch löst eines der schwierigsten Rätsel, das sich aus der Entdeckung von Neutronensternverschmelzungen durch die Gravitationswellen-Observatorien ergibt LIGO und Jungfrau.
Der erste Nachweis von Gravitationswellen des Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) im Jahr 2017 war eine Neutronensternverschmelzung, die weitgehend den Erwartungen der Astrophysiker entsprach. Aber die zweite Entdeckung im Jahr 2019 war eine Verschmelzung zweier Neutronensterne, deren kombinierte Masse unerwartet groß war.
„Es war so schockierend, dass wir anfangen mussten, darüber nachzudenken, wie wir einen schweren Neutronenstern erschaffen können, ohne ihn zu einem zu machen Presse“, sagte Enrico Ramirez-Ruiz, Professor für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz.
Kompakte astrophysikalische Objekte wie Neutronensterne und Schwarze Löcher sind schwierig zu untersuchen, da sie im stabilen Zustand meist unsichtbar sind und keine nachweisbare Strahlung abgeben. „Das bedeutet, dass wir in Bezug auf das, was wir beobachten können, voreingenommen sind“, erklärte Ramirez-Ruiz. „Wir haben Neutronenstern-Doppelsterne in unserer Galaxie entdeckt, von denen einer ein Pulsar ist, und die Massen dieser Pulsare sind fast alle identisch – wir sehen keine schweren Neutronensterne.“
LIGOs Entdeckung einer Verschmelzung schwerer Neutronensterne mit einer Rate, die der des leichteren Doppelsternsystems ähnlich ist, impliziert, dass Paare schwerer Neutronensterne relativ häufig vorkommen sollten. Warum tauchen sie also nicht in der Pulsarpopulation auf?
In der neuen Studie konzentrierten sich Ramirez-Ruiz und seine Kollegen auf die Supernovae von abgestreiften Sternen in Doppelsystemen, die „doppelte kompakte Objekte“ bilden können, die entweder aus zwei Neutronensternen oder einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch bestehen. Ein gestrippter Stern, auch Heliumstern genannt, ist ein Stern, dessen Wasserstoffhülle durch seine Wechselwirkungen mit einem Begleitstern entfernt wurde.
Die Studie, veröffentlicht am 8. Oktober 2021, in Astrophysical Journal Letters, wurde von Alejandro Vigna-Gomez geleitet, einem Astrophysiker am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen, wo Ramirez-Ruiz eine Niels-Bohr-Professur innehat.
„Wir haben detaillierte Sternmodelle verwendet, um die Entwicklung eines abgestreiften Sterns bis zu dem Moment zu verfolgen, in dem er in einer Supernova explodiert“, sagte Vigna-Gomez. „Sobald wir den Zeitpunkt der Supernova erreicht haben, führen wir eine hydrodynamische Studie durch, bei der wir daran interessiert sind, die Entwicklung des explodierenden Gases zu verfolgen.“
Der abgestreifte Stern in einem Doppelsternsystem mit einem Neutronenstern-Begleiter ist zu Beginn zehnmal massereicher als unsere Sonne, aber so dicht, dass er im Durchmesser kleiner als die Sonne ist. Das Endstadium seiner Entwicklung ist eine Kernkollaps-Supernova, die je nach Endmasse des Kerns entweder einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch zurücklässt.
Die Ergebnisse des Teams zeigten, dass bei der Explosion des massiven abgestreiften Sterns einige seiner äußeren Schichten schnell aus dem Binärsystem herausgeschleudert werden. Einige der inneren Schichten werden jedoch nicht ausgeworfen und fallen schließlich auf das neu gebildete kompakte Objekt zurück.
„Die Menge des angesammelten Materials hängt von der Explosionsenergie ab – je höher die Energie, desto weniger Masse kann man behalten“, sagte Vigna-Gomez. „Für unseren gestrippten Stern mit zehn Sonnenmassen bildet sich bei geringer Explosionsenergie ein Schwarzes Loch; Wenn die Energie groß ist, behält sie weniger Masse und bildet einen Neutronenstern.“
Diese Ergebnisse erklären nicht nur die Bildung schwerer Neutronenstern-Doppelsysteme, wie sie durch das Gravitationswellenereignis GW190425 offenbart wurden, sondern sagen auch die Bildung von Neutronensternen und leichten Schwarzen-Loch-Doppelsystemen voraus, wie dasjenige, das in der Gravitation 2020 verschmolzen ist Wellenereignis GW200115.
Ein weiteres wichtiges Ergebnis ist, dass die Masse des Heliumkerns des abgestreiften Sterns wesentlich ist, um die Art seiner Wechselwirkungen mit seinem Neutronenstern-Begleiter und das endgültige Schicksal des Doppelsternsystems zu bestimmen. Ein ausreichend massiver Heliumstern kann die Übertragung von Masse auf den Neutronenstern vermeiden. Bei einem weniger massereichen Heliumstern kann der Stoffaustausch den Neutronenstern jedoch in einen sich schnell drehenden Pulsar verwandeln.
„Wenn der Heliumkern klein ist, dehnt er sich aus, und dann dreht der Massentransfer den Neutronenstern hoch, um einen Pulsar zu erzeugen“, erklärte Ramirez-Ruiz. „Massive Heliumkerne sind jedoch stärker gravitativ gebunden und dehnen sich nicht aus, sodass kein Stoffaustausch stattfindet. Und wenn sie sich nicht in einen Pulsar verwandeln, sehen wir sie nicht.“
Mit anderen Worten, es könnte durchaus eine große unentdeckte Population schwerer Neutronenstern-Doppelsterne in unserer Galaxie geben.
„Die Übertragung von Masse auf einen Neutronenstern ist ein effektiver Mechanismus, um sich schnell drehende (Millisekunden) Pulsare zu erzeugen“, sagte Vigna-Gomez. „Das Vermeiden dieser Massentransfer-Episode, da wir Hinweise darauf vorschlagen, dass es eine funkstille Population solcher Systeme in der gibt Milchstraße"
Referenz: „Fallback Supernova Assembly of Heavy Binary Neutron Stars and Light Black Hole–Neutron Star Pairs and the Common Stellar Ancestry of GW190425 and GW200115“ von Alejandro Vigna-Gómez, Sophie L. Schrøder, Enrico Ramirez-Ruiz, David R. Aguilera- Dena, Aldo Batta, Norbert Langer und Reinhold Willcox, 8. Oktober 2021, Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac2903
Neben Vigna-Gomez und Ramirez-Ruiz gehören zu den Co-Autoren der Arbeit Sophie Schroder vom Niels-Bohr-Institut; David Aguilera-Dena an der Universität Kreta; Aldo Batta vom Nationalen Institut für Astrophysik in Mexiko; Norbert Langer von der Universität Bonn, Deutschland; und Reinhold Willcox von der Monash University, Australien. Diese Arbeit wurde von der Heising-Simons Foundation, der Danish National Research Foundation und der US National Science Foundation unterstützt.
