На поздних стадиях формирования двойной нейтронной звезды гигантская звезда расширяется и поглощает нейтронную звезду-компаньон на стадии, называемой эволюцией с общей оболочкой (а). Выброс оболочки оставляет нейтронную звезду на близкой орбите со звездой с разорванной оболочкой. Эволюция системы зависит от отношения масс. Менее массивные обнаженные звезды испытывают дополнительную фазу переноса массы, которая еще больше разделяет звезду и повторно использует спутник-пульсар, что приводит к таким системам, как наблюдаемые двойные нейтронные звезды в Млечном Пути и GW170817 (b). Более массивные обнаженные звезды не расширяются так сильно, поэтому дальнейшее удаление и переработка компаньонов избегаются, что приводит к таким системам, как GW190425 (c). Наконец, еще более массивные звезды с обнаженными телами приведут к двойным черным дырам и нейтронным звездам, таким как GW200115 (d). Авторы и права: Винья-Гомез и др., ApJL, 2021 г.
Астрофизики объясняют происхождение необычно тяжелых двойных нейтронных звезд
Моделирование взрывов сверхновых массивных звезд в паре с нейтронными звездами может объяснить загадочные результаты обсерваторий гравитационных волн.
Новое исследование, показывающее, как взрыв массивной звезды в сверхновой может привести к образованию тяжелой нейтронная звезда или свет черная дыра решает одну из самых сложных загадок, возникающих при обнаружении слияний нейтронных звезд гравитационно-волновыми обсерваториями. LIGO и Дева.
Первое обнаружение гравитационные волны Усовершенствованной лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2017 году произошло слияние нейтронных звезд, которое в основном соответствовало ожиданиям астрофизиков. Но второе обнаружение в 2019 году было слиянием двух нейтронных звезд, совокупная масса которых оказалась неожиданно большой.
«Это было настолько шокирующе, что нам пришлось начать думать о том, как создать тяжелую нейтронную звезду, не превращая ее в пресс», — сказал Энрико Рамирес-Руис, профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крус.
Компактные астрофизические объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, сложно изучать, потому что, когда они стабильны, они, как правило, невидимы и не излучают заметного излучения. «Это означает, что мы предвзято относимся к тому, что можем наблюдать», — объяснил Рамирес-Руис. «Мы обнаружили двойные нейтронные звезды в нашей галактике, когда одна из них является пульсаром, и массы этих пульсаров почти все одинаковы — мы не видим тяжелых нейтронных звезд».
Обнаружение LIGO слияния тяжелых нейтронных звезд со скоростью, аналогичной более легкой двойной системе, означает, что пары тяжелых нейтронных звезд должны быть относительно распространены. Так почему же они не появляются в популяции пульсаров?
В новом исследовании Рамирес-Руис и его коллеги сосредоточились на сверхновых звездах в двойных системах, которые могут образовывать «двойные компактные объекты», состоящие либо из двух нейтронных звезд, либо из нейтронной звезды и черной дыры. Обнаженная звезда, также называемая гелиевой звездой, представляет собой звезду, у которой была удалена водородная оболочка в результате взаимодействия со звездой-компаньоном.
Исследование, опубликованное 8 октября 2021 г. в Astrophysical Journal Letters, руководил Алехандро Винья-Гомес, астрофизик из Института Нильса Бора Копенгагенского университета, где Рамирес-Руис имеет звание профессора Нильса Бора.
«Мы использовали подробные звездные модели, чтобы проследить за эволюцией звезды до того момента, когда она взорвется сверхновой», — сказал Винья-Гомез. «Как только мы достигнем времени взрыва сверхновой, мы проведем гидродинамическое исследование, в котором нам будет интересно проследить эволюцию взрывающегося газа».
Обнаженная звезда в двойной системе с нейтронной звездой-компаньоном вначале в десять раз массивнее нашего Солнца, но настолько плотна, что меньше Солнца в диаметре. Последней стадией ее эволюции является сверхновая с коллапсом ядра, которая оставляет после себя либо нейтронную звезду, либо черную дыру, в зависимости от конечной массы ядра.
Результаты команды показали, что когда массивная ободранная звезда взрывается, некоторые из ее внешних слоев быстро выбрасываются из двойной системы. Однако некоторые из внутренних слоев не выбрасываются и в конечном итоге падают обратно на новообразованный компактный объект.
«Количество аккрецируемого материала зависит от энергии взрыва — чем выше энергия, тем меньшую массу вы можете сохранить», — сказал Винья-Гомез. «Для нашей лишенной массы звезды в десять солнечных, если энергия взрыва низка, она сформирует черную дыру; если энергия велика, она сохранит меньшую массу и сформирует нейтронную звезду».
Эти результаты не только объясняют образование двойных систем с тяжелыми нейтронными звездами, таких как обнаруженное гравитационно-волновым событием GW190425, но также предсказывают образование двойных нейтронных звезд и легких черных дыр, таких как та, которая слилась в гравитационном гравитационном событии 2020 года. волновое событие GW200115.
Еще одно важное открытие состоит в том, что масса гелиевого ядра звезды имеет важное значение для определения характера ее взаимодействия с нейтронной звездой-компаньоном и конечной судьбы двойной системы. Достаточно массивная гелиевая звезда может избежать передачи массы нейтронной звезде. Однако с менее массивной гелиевой звездой процесс переноса массы может превратить нейтронную звезду в быстро вращающийся пульсар.
«Когда гелиевое ядро маленькое, оно расширяется, а затем перенос массы раскручивает нейтронную звезду, создавая пульсар», — объяснил Рамирес-Руис. «Однако массивные гелиевые ядра более гравитационно связаны и не расширяются, поэтому перенос массы отсутствует. И если они не превратятся в пульсар, мы их не увидим».
Другими словами, в нашей галактике вполне может быть большая необнаруженная популяция тяжелых нейтронных двойных звезд.
«Перенос массы на нейтронную звезду — эффективный механизм для создания быстро вращающихся (миллисекундных) пульсаров», — сказал Винья-Гомез. «Если мы избегаем этого эпизода массового переноса, это намекает на то, что в мире существует бесшумное население таких систем. Млечный Путь".
Ссылка: «Резервная сборка сверхновых тяжелых двойных нейтронных звезд и легких пар черная дыра-нейтронная звезда и общий звездный предок GW190425 и GW200115» Алехандро Винья-Гомес, Софи Л. Шредер, Энрико Рамирес-Руис, Дэвид Р. Агилера- Дена, Альдо Батта, Норберт Лангер и Райнхольд Уиллкокс, 8 октября 2021 г., Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac2903
Помимо Винья-Гомес и Рамирес-Руис, соавторами статьи являются Софи Шредер из Института Нильса Бора; Дэвид Агилера-Дена из Критского университета; Альдо Батта из Национального института астрофизики в Мексике; Норберт Лангер из Боннского университета, Германия; и Рейнхольд Уиллкокс из Университета Монаш, Австралия. Эта работа была поддержана Фондом Хейзинга-Саймонса, Датским национальным исследовательским фондом и Национальным научным фондом США.
