На пізніх стадіях утворення подвійної нейтронної зірки гігантська зірка розширюється і поглинає нейтронну зірку-компаньйон на стадії, яка називається еволюцією загальної оболонки (a). Викид оболонки залишає нейтронну зірку на близькій орбіті з зіркою з розрізаною оболонкою. Еволюція системи залежить від співвідношення мас. Менш масивні оголені зірки відчувають додаткову фазу масообміну, яка ще більше оголює зірку та переробляє пульсар-компаньйон, що призводить до таких систем, як спостережувані подвійні нейтронні зірки в Чумацькому Шляху та GW170817 (b). Більш масивні оголені зірки не розширюються так сильно, тому уникають подальшого оголення та повторного використання супутників, що призводить до таких систем, як GW190425 (c). Нарешті, ще більш масивні оголені зірки призведуть до подвійних систем чорної діри та нейтронної зірки, таких як GW200115 (d). Авторство: Вінья-Гомес та ін., ApJL 2021
Астрофізики пояснили походження надзвичайно важких подвійних нейтронних зірок
Моделювання вибухів наднових масивних зірок у поєднанні з нейтронними зірками може пояснити загадкові результати обсерваторій гравітаційних хвиль.
Нове дослідження показує, як вибух оголеної масивної зірки в надновій може призвести до утворення важкої нейтронна зірка або світло Чорна діра вирішує одну з найскладніших загадок, які виникли після виявлення злиття нейтронних зірок обсерваторіями гравітаційних хвиль ЛІГО і Діва.
Перше виявлення гравітаційні хвилі Гравітаційно-хвильовою обсерваторією Advanced Laser Interferometer (LIGO) у 2017 році було злиття нейтронних зірок, яке в основному відповідало очікуванням астрофізиків. Але друге виявлення, у 2019 році, було злиттям двох нейтронних зірок, сукупна маса яких була несподівано великою.
«Це було настільки шокуюче, що нам довелося почати думати про те, як створити важку нейтронну зірку, не перетворюючи її пульсар", - сказав Енріко Рамірес-Руїс, професор астрономії та астрофізики Каліфорнійського університету в Санта-Крус.
Компактні астрофізичні об’єкти, такі як нейтронні зірки та чорні діри, складно вивчати, тому що коли вони стабільні, вони, як правило, невидимі, не випромінюючи випромінювання, яке можна виявити. «Це означає, що ми упереджені в тому, що можемо спостерігати», — пояснив Рамірес-Руїс. «Ми виявили подвійні нейтронні зірки в нашій галактиці, коли одна з них є пульсаром, і маси цих пульсарів майже всі ідентичні — ми не бачимо важких нейтронних зірок».
Виявлення LIGO злиття важких нейтронних зірок зі швидкістю, подібною до більш легкої подвійної системи, означає, що пари важких нейтронних зірок мають бути відносно поширеними. Так чому ж вони не з’являються в популяції пульсарів?
У новому дослідженні Рамірес-Руїс та його колеги зосередилися на наднових зірок у подвійних системах, які можуть утворювати «подвійні компактні об’єкти», що складаються або з двох нейтронних зірок, або з нейтронної зірки та чорної діри. Поголена зірка, також звана гелієвою зіркою, — це зірка, водневу оболонку якої було видалено внаслідок взаємодії із зіркою-компаньйоном.
Дослідження, опубліковане 8 жовтня 2021 року в Журналі Astrophysical Journal Letters, очолив Алехандро Вінья-Гомес, астрофізик з Інституту Нільса Бора Копенгагенського університету, де Рамірес-Руїс є професором Нільса Бора.
«Ми використовували детальні зоряні моделі, щоб прослідкувати еволюцію оголеної зірки до моменту, коли вона вибухне у наднову», — сказав Вінья-Гомес. «Коли ми досягнемо часу спалаху наднової, ми проведемо гідродинамічне дослідження, де нам цікаво стежити за еволюцією газу, що вибухає».
Роздягнена зірка в подвійній системі з нейтронною зіркою-компаньйоном спочатку в десять разів масивніша за наше Сонце, але така щільність, що вона менша за Сонце в діаметрі. Останнім етапом його еволюції є наднова з колапсом ядра, яка залишає після себе або нейтронну зірку, або чорну діру, залежно від кінцевої маси ядра.
Результати команди показали, що коли масивна оголена зірка вибухає, деякі її зовнішні шари швидко викидаються з подвійної системи. Деякі з внутрішніх шарів, однак, не викидаються і зрештою падають назад на новоутворений компактний об’єкт.
«Кількість накопиченого матеріалу залежить від енергії вибуху — чим вища енергія, тим меншу масу ви можете зберегти», — сказала Вінья-Гомес. «Для нашої розірваної зірки масою десять сонячних, якщо енергія вибуху низька, вона утворить чорну діру; якщо енергія велика, вона збереже меншу масу й утворить нейтронну зірку».
Ці результати не лише пояснюють утворення важких подвійних систем нейтронних зірок, таких як та, яка виявлена подією гравітаційної хвилі GW190425, але також передбачають утворення подвійних систем нейтронних зірок і легких чорних дір, таких як та, яка об’єдналася в гравітаційній хвилі 2020 року. хвильова подія GW200115.
Ще один важливий висновок полягає в тому, що маса гелієвого ядра розірваної зірки має важливе значення для визначення характеру її взаємодії з її нейтронною зіркою-компаньйоном і остаточної долі подвійної системи. Досить масивна гелієва зірка може уникнути передачі маси на нейтронну зірку. Проте з менш масивною гелієвою зіркою процес масопередачі може перетворити нейтронну зірку на пульсар, що швидко обертається.
«Коли гелієве ядро мало, воно розширюється, а потім перенесення маси розкручує нейтронну зірку, створюючи пульсар», — пояснив Рамірес-Руїс. «Масивні гелієві ядра, однак, більш гравітаційно зв’язані і не розширюються, тому немає перенесення маси. І якщо вони не обертаються в пульсар, ми їх не бачимо».
Іншими словами, у нашій галактиці цілком може існувати велика невиявлена популяція важких подвійних нейтронних зірок.
«Перенесення маси на нейтронну зірку є ефективним механізмом для створення швидко обертових (у мілісекундах) пульсарів», — сказав Вінья-Гомес. «Уникаючи цього епізоду масової передачі, оскільки ми пропонуємо натяки на те, що існує радіотиха популяція таких систем у Чумацький шлях».
Довідка: Алехандро Вінья-Гомес, Софі Л. Шрьодер, Енріко Рамірес-Руїз, Девід Р. Агілера- «Запасна збірка наднових важких подвійних нейтронних зірок і легких пар чорна діра–нейтронна зірка та загальне зоряне походження GW190425 і GW200115». Дена, Альдо Батта, Норберт Лангер і Рейнхольд Віллкокс, 8 жовтня 2021 р. Журналі Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac2903
Окрім Вінья-Гомеса та Раміреса-Руїса, співавторами статті є Софі Шредер з Інституту Нільса Бора; Девід Агілера-Дена з Критського університету; Альдо Батта з Національного інституту астрофізики в Мексиці; Норберт Лангер з Боннського університету, Німеччина; та Рейнхолд Віллкокс з університету Монаш, Австралія. Ця робота була підтримана Фондом Гейзінга-Саймонса, Датським національним дослідницьким фондом і Національним науковим фондом США.
