Dans les derniers stades de la formation d'étoiles à neutrons binaires, l'étoile géante se dilate et engloutit l'étoile à neutrons compagne dans une étape appelée évolution à enveloppe commune (a). L'éjection de l'enveloppe laisse l'étoile à neutrons sur une orbite proche avec une étoile à enveloppe dénudée. L'évolution du système dépend du rapport de masse. Les étoiles dépouillées moins massives subissent une phase de transfert de masse supplémentaire qui dépouille davantage l'étoile et recycle le compagnon pulsar, conduisant à des systèmes tels que les étoiles à neutrons binaires observées dans la Voie lactée et GW170817 (b). Les étoiles dépouillées plus massives ne se dilatent pas autant, évitant ainsi un dépouillement supplémentaire et un recyclage compagnon, conduisant à des systèmes tels que GW190425 (c). Enfin, des étoiles dépouillées encore plus massives conduiront à des binaires trou noir-étoile à neutrons tels que GW200115 (d). Crédit : Vigna-Gomez et al., ApJL 2021
Des astrophysiciens expliquent l'origine de binaires d'étoiles à neutrons exceptionnellement lourdes
Les simulations d'explosions de supernova d'étoiles massives associées à des étoiles à neutrons peuvent expliquer les résultats déroutants des observatoires d'ondes gravitationnelles.
Une nouvelle étude montrant comment l'explosion d'une étoile massive dépouillée dans une supernova peut conduire à la formation d'un lourd étoile à neutrons ou une lumière trou noir résout l'une des énigmes les plus difficiles à émerger de la détection des fusions d'étoiles à neutrons par les observatoires d'ondes gravitationnelles LIGO et Vierge.
La première détection de ondes gravitationnelles par l'Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en 2017 était une fusion d'étoiles à neutrons qui correspondait pour l'essentiel aux attentes des astrophysiciens. Mais la deuxième détection, en 2019, était une fusion de deux étoiles à neutrons dont la masse combinée était étonnamment grande.
"C'était tellement choquant que nous avons dû commencer à réfléchir à la façon de créer une étoile à neutrons lourds sans en faire un pulsar", a déclaré Enrico Ramirez-Ruiz, professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'UC Santa Cruz.
Les objets astrophysiques compacts comme les étoiles à neutrons et les trous noirs sont difficiles à étudier car lorsqu'ils sont stables, ils ont tendance à être invisibles, n'émettant aucun rayonnement détectable. "Cela signifie que nous sommes biaisés dans ce que nous pouvons observer", a expliqué Ramirez-Ruiz. "Nous avons détecté des binaires d'étoiles à neutrons dans notre galaxie lorsque l'une d'entre elles est un pulsar, et les masses de ces pulsars sont presque toutes identiques - nous ne voyons aucune étoile à neutrons lourde."
La détection par LIGO d'une fusion d'étoiles à neutrons lourds à un rythme similaire au système binaire plus léger implique que les paires d'étoiles à neutrons lourds devraient être relativement courantes. Alors pourquoi n'apparaissent-ils pas dans la population de pulsars ?
Dans la nouvelle étude, Ramirez-Ruiz et ses collègues se sont concentrés sur les supernovae d'étoiles dépouillées dans des systèmes binaires qui peuvent former des "objets doubles compacts" constitués soit de deux étoiles à neutrons, soit d'une étoile à neutrons et d'un trou noir. Une étoile dénudée, également appelée étoile à hélium, est une étoile dont l'enveloppe d'hydrogène a été supprimée par ses interactions avec une étoile compagne.
L'étude, publiée le 8 octobre 2021, dans Lettres du journal astrophysique, était dirigée par Alejandro Vigna-Gomez, astrophysicien à l'Institut Niels Bohr de l'Université de Copenhague, où Ramirez-Ruiz est titulaire d'une chaire Niels Bohr.
"Nous avons utilisé des modèles stellaires détaillés pour suivre l'évolution d'une étoile dépouillée jusqu'au moment où elle explose en supernova", a déclaré Vigna-Gomez. "Une fois que nous atteignons le moment de la supernova, nous faisons une étude hydrodynamique, où nous sommes intéressés à suivre l'évolution du gaz qui explose."
L'étoile dépouillée, dans un système binaire avec un compagnon d'étoile à neutrons, est au départ dix fois plus massive que notre soleil, mais si dense qu'elle est plus petite que le soleil en diamètre. La dernière étape de son évolution est une supernova d'effondrement du cœur, qui laisse derrière elle soit une étoile à neutrons, soit un trou noir, selon la masse finale du cœur.
Les résultats de l'équipe ont montré que lorsque l'étoile massive dépouillée explose, certaines de ses couches externes sont rapidement éjectées du système binaire. Certaines des couches internes, cependant, ne sont pas éjectées et retombent finalement sur l'objet compact nouvellement formé.
"La quantité de matière accumulée dépend de l'énergie de l'explosion - plus l'énergie est élevée, moins vous pouvez conserver de masse", a déclaré Vigna-Gomez. « Pour notre étoile dépouillée de dix masses solaires, si l'énergie de l'explosion est faible, elle formera un trou noir ; si l'énergie est grande, elle gardera moins de masse et formera une étoile à neutrons.
Ces résultats expliquent non seulement la formation de systèmes binaires d'étoiles à neutrons lourdes, comme celui révélé par l'événement d'ondes gravitationnelles GW190425, mais prédisent également la formation d'étoiles à neutrons et de binaires de trous noirs légers, comme celui qui a fusionné dans l'événement gravitationnel de 2020. événement de vague GW200115.
Une autre découverte importante est que la masse du noyau d'hélium de l'étoile dépouillée est essentielle pour déterminer la nature de ses interactions avec son compagnon étoile à neutrons et le destin ultime du système binaire. Une étoile à hélium suffisamment massive peut éviter de transférer de la masse sur l'étoile à neutrons. Avec une étoile à hélium moins massive, cependant, le processus de transfert de masse peut transformer l'étoile à neutrons en un pulsar à rotation rapide.
"Lorsque le noyau d'hélium est petit, il se dilate, puis le transfert de masse fait tourner l'étoile à neutrons pour créer un pulsar", a expliqué Ramirez-Ruiz. "Les noyaux d'hélium massifs, cependant, sont plus liés gravitationnellement et ne se dilatent pas, il n'y a donc pas de transfert de masse. Et s'ils ne tournent pas en pulsar, nous ne les voyons pas.
En d'autres termes, il pourrait bien y avoir une grande population non détectée d'étoiles binaires à neutrons lourds dans notre galaxie.
"Le transfert de masse sur une étoile à neutrons est un mécanisme efficace pour créer des pulsars à rotation rapide (milliseconde)", a déclaré Vigna-Gomez. "Éviter cet épisode de transfert de masse comme nous le suggérons laisse entendre qu'il existe une population silencieuse de tels systèmes dans le voie Lactée. »
Référence : "Assemblage de supernova de repli d'étoiles à neutrons binaires lourdes et de paires d'étoiles à neutrons et de trous noirs légers et l'ascendance stellaire commune de GW190425 et GW200115" par Alejandro Vigna-Gómez, Sophie L. Schrøder, Enrico Ramirez-Ruiz, David R. Aguilera- Dena, Aldo Batta, Norbert Langer et Reinhold Willcox, 8 octobre 2021, Lettres du journal astrophysique.
DOI : 10.3847/2041-8213/ac2903
Outre Vigna-Gomez et Ramirez-Ruiz, les coauteurs de l'article incluent Sophie Schroder de l'Institut Niels Bohr; David Aguilera-Dena à l'Université de Crète ; Aldo Batta de l'Institut national d'astrophysique du Mexique ; Norbert Langer de l'Université de Bonn, Allemagne ; et Reinhold Willcox de l'Université Monash, Australie. Ce travail a été soutenu par la Heising-Simons Foundation, la Danish National Research Foundation et la US National Science Foundation.
