En las últimas etapas de la formación de estrellas de neutrones binarias, la estrella gigante se expande y engulle a la estrella de neutrones compañera en una etapa denominada evolución de envoltura común (a). La eyección de la envoltura deja a la estrella de neutrones en una órbita cercana con una estrella de envoltura desnuda. La evolución del sistema depende de la relación de masas. Las estrellas despojadas menos masivas experimentan una fase de transferencia de masa adicional que despoja aún más a la estrella y recicla el púlsar compañero, lo que lleva a sistemas como las estrellas de neutrones binarias observadas en la Vía Láctea y GW170817 (b). Las estrellas despojadas más masivas no se expanden tanto, por lo que evitan un mayor desprendimiento y el reciclaje de compañeros, lo que lleva a sistemas como GW190425 (c). Finalmente, incluso estrellas despojadas más masivas darán lugar a binarios de estrellas de neutrones y agujeros negros como GW200115 (d). Crédito: Vigna-Gomez et al., ApJL 2021
Los astrofísicos explican el origen de los binarios de estrellas de neutrones inusualmente pesados
Las simulaciones de explosiones de supernovas de estrellas masivas combinadas con estrellas de neutrones pueden explicar los desconcertantes resultados de los observatorios de ondas gravitacionales.
Un nuevo estudio muestra cómo la explosión de una estrella masiva desnuda en una supernova puede conducir a la formación de una estrella pesada estrella neutrón o una luz agujero negro resuelve uno de los acertijos más desafiantes que surgieron de la detección de fusiones de estrellas de neutrones por parte de los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo.
La primera detección de ondas gravitacionales por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser Avanzado (LIGO) en 2017 fue una fusión de estrellas de neutrones que en su mayoría se ajustaba a las expectativas de los astrofísicos. Pero la segunda detección, en 2019, fue una fusión de dos estrellas de neutrones cuya masa combinada era inesperadamente grande.
“Fue tan impactante que tuvimos que empezar a pensar en cómo crear una estrella de neutrones pesada sin convertirla en un púlsar”, dijo Enrico Ramírez-Ruiz, profesor de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz.
Los objetos astrofísicos compactos, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros, son difíciles de estudiar porque, cuando son estables, tienden a ser invisibles y no emiten radiación detectable. “Eso significa que estamos sesgados en lo que podemos observar”, explicó Ramírez-Ruiz. "Hemos detectado binarias de estrellas de neutrones en nuestra galaxia cuando una de ellas es un púlsar, y las masas de esos púlsares son casi todas idénticas; no vemos ninguna estrella de neutrones pesada".
La detección de LIGO de una fusión de estrellas de neutrones pesados a un ritmo similar al del sistema binario más ligero implica que los pares de estrellas de neutrones pesados deberían ser relativamente comunes. Entonces, ¿por qué no aparecen en la población de púlsares?
En el nuevo estudio, Ramírez-Ruiz y sus colegas se centraron en las supernovas de estrellas desnudas en sistemas binarios que pueden formar "objetos doblemente compactos" que consisten en dos estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro. Una estrella desnuda, también llamada estrella de helio, es una estrella a la que se le ha quitado su envoltura de hidrógeno por sus interacciones con una estrella compañera.
El estudio, publicado el 8 de octubre de 2021, en Astrophysical Journal Letters, fue dirigido por Alejandro Vigna-Gomez, astrofísico del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, donde Ramírez-Ruiz tiene una cátedra Niels Bohr.
“Usamos modelos estelares detallados para seguir la evolución de una estrella desnuda hasta el momento en que explota en una supernova”, dijo Vigna-Gomez. “Una vez que llegamos al momento de la supernova, hacemos un estudio hidrodinámico, donde nos interesa seguir la evolución del gas que explota”.
La estrella desnuda, en un sistema binario con una estrella de neutrones compañera, comienza diez veces más masiva que nuestro sol, pero tan densa que es más pequeña que el diámetro del sol. La etapa final de su evolución es una supernova con colapso del núcleo, que deja una estrella de neutrones o un agujero negro, según la masa final del núcleo.
Los resultados del equipo mostraron que cuando la estrella desnuda masiva explota, algunas de sus capas exteriores son expulsadas rápidamente del sistema binario. Algunas de las capas internas, sin embargo, no son expulsadas y eventualmente vuelven a caer sobre el objeto compacto recién formado.
“La cantidad de material acumulado depende de la energía de la explosión: cuanto mayor sea la energía, menos masa se puede conservar”, dijo Vigna-Gomez. “Para nuestra estrella desnuda de diez masas solares, si la energía de explosión es baja, formará un agujero negro; si la energía es grande, mantendrá menos masa y formará una estrella de neutrones”.
Estos resultados no solo explican la formación de sistemas binarios de estrellas de neutrones pesados, como el revelado por el evento de onda gravitacional GW190425, sino que también predicen la formación de binarios de estrellas de neutrones y agujeros negros ligeros, como el que se fusionó en el evento gravitacional de 2020. evento de onda GW200115.
Otro hallazgo importante es que la masa del núcleo de helio de la estrella desnuda es esencial para determinar la naturaleza de sus interacciones con su compañera, la estrella de neutrones, y el destino final del sistema binario. Una estrella de helio suficientemente masiva puede evitar transferir masa a la estrella de neutrones. Sin embargo, con una estrella de helio menos masiva, el proceso de transferencia de masa puede transformar la estrella de neutrones en un púlsar que gira rápidamente.
“Cuando el núcleo de helio es pequeño, se expande y luego la transferencia de masa hace girar la estrella de neutrones para crear un púlsar”, explicó Ramírez-Ruiz. “Los núcleos masivos de helio, sin embargo, están ligados más gravitacionalmente y no se expanden, por lo que no hay transferencia de masa. Y si no giran hasta convertirse en un púlsar, no los vemos”.
En otras palabras, bien puede haber una gran población no detectada de estrellas binarias de neutrones pesados en nuestra galaxia.
“Transferir masa a una estrella de neutrones es un mecanismo efectivo para crear púlsares que giran rápidamente (en milisegundos)”, dijo Vigna-Gomez. "Evitar este episodio de transferencia de masa, como sugerimos, sugiere que hay una población silenciosa de tales sistemas en el Vía Láctea."
Referencia: “Ensamblaje de supernova de reserva de estrellas de neutrones binarias pesadas y pares de estrellas de neutrones y agujeros negros ligeros y la ascendencia estelar común de GW190425 y GW200115” por Alejandro Vigna-Gómez, Sophie L. Schrøder, Enrico Ramirez-Ruiz, David R. Aguilera- Dena, Aldo Batta, Norbert Langer y Reinhold Willcox, 8 de octubre de 2021, Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac2903
Además de Vigna-Gomez y Ramirez-Ruiz, los coautores del artículo incluyen a Sophie Schroder del Instituto Niels Bohr; David Aguilera-Dena de la Universidad de Creta; Aldo Batta del Instituto Nacional de Astrofísica de México; Norbert Langer de la Universidad de Bonn, Alemania; y Reinhold Willcox en la Universidad de Monash, Australia. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Heising-Simons, la Fundación Nacional de Investigación de Dinamarca y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
