Nelle ultime fasi della formazione di stelle binarie di neutroni, la stella gigante si espande e inghiotte la stella compagna di neutroni in una fase denominata evoluzione dell'inviluppo comune (a). L'espulsione dell'involucro lascia la stella di neutroni in un'orbita ravvicinata con una stella a involucro spogliato. L'evoluzione del sistema dipende dal rapporto di massa. Le stelle spogliate meno massicce sperimentano un'ulteriore fase di trasferimento di massa che spoglia ulteriormente la stella e ricicla la pulsar compagna, portando a sistemi come le stelle binarie di neutroni osservate nella Via Lattea e GW170817 (b). Le stelle spogliate più massicce non si espandono tanto, evitando quindi un ulteriore stripping e il riciclaggio del compagno, portando a sistemi come GW190425 (c). Infine, stelle spogliate ancora più massicce porteranno a binari stellari di neutroni buco nero come GW200115 (d). Credito: Vigna-Gomez et al., ApJL 2021
Gli astrofisici spiegano l'origine di binari di stelle di neutroni insolitamente pesanti
Le simulazioni di esplosioni di supernova di stelle massicce accoppiate con stelle di neutroni possono spiegare risultati sconcertanti dagli osservatori delle onde gravitazionali.
Un nuovo studio mostra come l'esplosione di una stella massiccia spogliata in una supernova possa portare alla formazione di un pesante stella di neutroni o una luce buco nero risolve uno degli enigmi più impegnativi che emergono dal rilevamento delle fusioni di stelle di neutroni da parte degli osservatori delle onde gravitazionali LIGO e Vergine.
Il primo rilevamento di onde gravitazionali dall'Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) nel 2017 è stata una fusione di stelle di neutroni che per lo più si è conforme alle aspettative degli astrofisici. Ma la seconda rilevazione, nel 2019, è stata una fusione di due stelle di neutroni la cui massa combinata era inaspettatamente grande.
“È stato così scioccante che abbiamo dovuto iniziare a pensare a come creare una stella di neutroni pesante senza farne una stampa”, ha affermato Enrico Ramirez-Ruiz, professore di astronomia e astrofisica all'UC Santa Cruz.
Gli oggetti astrofisici compatti come le stelle di neutroni e i buchi neri sono difficili da studiare perché quando sono stabili tendono a essere invisibili, senza emettere radiazioni rilevabili. "Ciò significa che siamo prevenuti in ciò che possiamo osservare", ha spiegato Ramirez-Ruiz. "Abbiamo rilevato le binarie di stelle di neutroni nella nostra galassia quando una di esse è una pulsar e le masse di quelle pulsar sono quasi tutte identiche: non vediamo stelle di neutroni pesanti".
Il rilevamento da parte di LIGO di una fusione di stelle di neutroni pesanti a una velocità simile al sistema binario più leggero implica che le coppie di stelle di neutroni pesanti dovrebbero essere relativamente comuni. Allora perché non compaiono nella popolazione delle pulsar?
Nel nuovo studio, Ramirez-Ruiz e i suoi colleghi si sono concentrati sulle supernove di stelle spogliate in sistemi binari che possono formare "oggetti doppi compatti" costituiti da due stelle di neutroni o da una stella di neutroni e da un buco nero. Una stella spogliata, chiamata anche stella dell'elio, è una stella a cui è stato rimosso il suo involucro di idrogeno dalle sue interazioni con una stella compagna.
Lo studio, pubblicato l'8 ottobre 2021, in Astrophysical Journal Letters, è stato guidato da Alejandro Vigna-Gomez, un astrofisico presso il Niels Bohr Institute dell'Università di Copenaghen, dove Ramirez-Ruiz ha una cattedra Niels Bohr.
"Abbiamo utilizzato modelli stellari dettagliati per seguire l'evoluzione di una stella spogliata fino al momento in cui esplode in una supernova", ha detto Vigna-Gomez. "Una volta raggiunta l'ora della supernova, facciamo uno studio idrodinamico, in cui siamo interessati a seguire l'evoluzione del gas che esplode".
La stella spogliata, in un sistema binario con una stella compagna di neutroni, all'inizio è dieci volte più massiccia del nostro sole, ma così densa da avere un diametro più piccolo del sole. Lo stadio finale della sua evoluzione è una supernova con collasso del nucleo, che lascia dietro di sé una stella di neutroni o un buco nero, a seconda della massa finale del nucleo.
I risultati del team hanno mostrato che quando la massiccia stella spogliata esplode, alcuni dei suoi strati esterni vengono rapidamente espulsi dal sistema binario. Alcuni degli strati interni, tuttavia, non vengono espulsi e alla fine ricadono sull'oggetto compatto appena formato.
"La quantità di materiale accumulato dipende dall'energia dell'esplosione: maggiore è l'energia, minore è la massa che puoi mantenere", ha detto Vigna-Gomez. “Per la nostra stella spogliata di dieci masse solari, se l'energia dell'esplosione è bassa, formerà un buco nero; se l'energia è grande, manterrà meno massa e formerà una stella di neutroni.
Questi risultati non solo spiegano la formazione di sistemi binari di stelle di neutroni pesanti, come quello rivelato dall'evento dell'onda gravitazionale GW190425, ma prevedono anche la formazione di stelle di neutroni e binari di buchi neri leggeri, come quello che si è fuso nell'onda gravitazionale del 2020 evento wave GW200115.
Un'altra importante scoperta è che la massa del nucleo di elio della stella spogliata è essenziale per determinare la natura delle sue interazioni con la sua compagna stella di neutroni e il destino finale del sistema binario. Una stella di elio sufficientemente massiccia può evitare di trasferire massa sulla stella di neutroni. Con una stella di elio meno massiccia, tuttavia, il processo di trasferimento di massa può trasformare la stella di neutroni in una pulsar in rapida rotazione.
"Quando il nucleo di elio è piccolo, si espande e quindi il trasferimento di massa fa ruotare la stella di neutroni per creare una pulsar", ha spiegato Ramirez-Ruiz. “I massicci nuclei di elio, tuttavia, sono più legati gravitazionalmente e non si espandono, quindi non c'è trasferimento di massa. E se non si trasformano in una pulsar, non li vediamo".
In altre parole, potrebbe esserci una grande popolazione non rilevata di binarie di stelle di neutroni pesanti nella nostra galassia.
"Il trasferimento di massa su una stella di neutroni è un meccanismo efficace per creare pulsar a rotazione rapida (millisecondi)", ha affermato Vigna-Gomez. “Evitare questo episodio di trasferimento di massa, poiché suggeriamo, suggerisce che esiste una popolazione radio-silenziosa di tali sistemi nel via Lattea. "
Riferimento: "Fallback Supernova Assembly of Heavy Binary Neutron Stars and Light Black Hole–Neutron Star Pairs and the Common Stellar Ancestry of GW190425 e GW200115" di Alejandro Vigna-Gómez, Sophie L. Schrøder, Enrico Ramirez-Ruiz, David R. Aguilera- Dena, Aldo Batta, Norbert Langer e Reinhold Willcox, 8 ottobre 2021, Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac2903
Oltre a Vigna-Gomez e Ramirez-Ruiz, i coautori dell'articolo includono Sophie Schroder del Niels Bohr Institute; David Aguilera-Dena all'Università di Creta; Aldo Batta presso l'Istituto Nazionale di Astrofisica in Messico; Norbert Langer all'Università di Bonn, Germania; e Reinhold Willcox alla Monash University, Australia. Questo lavoro è stato sostenuto dalla Heising-Simons Foundation, dalla Danish National Research Foundation e dalla US National Science Foundation.
