Nos estágios finais da formação de estrelas de nêutrons binários, a estrela gigante se expande e engolfa a companheira estrela de nêutrons em um estágio conhecido como evolução de envelope comum (a). A ejeção do envelope deixa a estrela de nêutrons em uma órbita próxima com uma estrela de envelope despojado. A evolução do sistema depende da razão de massa. Estrelas despojadas com menos massa experimentam uma fase de transferência de massa adicional que desnuda ainda mais a estrela e recicla o companheiro do pulsar, levando a sistemas como as estrelas de nêutrons binárias observadas na Via Láctea e GW170817 (b). Estrelas despojadas de maior massa não se expandem tanto, portanto, evitando mais remoção e reciclagem complementar, levando a sistemas como GW190425 (c). Finalmente, estrelas despojadas ainda mais massivas com levarão a binários de estrela de nêutrons de buraco negro, como GW200115 (d). Crédito:Vigna-Gomez et al.
Um novo estudo que mostra como a explosão de uma estrela massiva despojada em uma supernova pode levar à formação de uma estrela de nêutrons pesada ou um buraco negro leve resolve um dos quebra-cabeças mais desafiadores que emergem da detecção de fusões de estrelas de nêutrons pela onda gravitacional observatórios LIGO e Virgo.
A primeira detecção de ondas gravitacionais pelo Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em 2017 foi uma fusão de estrelas de nêutrons que atendeu principalmente às expectativas dos astrofísicos. Mas a segunda detecção, em 2019, foi uma fusão de duas estrelas de nêutrons cuja massa combinada era inesperadamente grande.
"Foi tão chocante que tivemos que começar a pensar em como criar uma estrela de nêutrons pesada sem torná-la um pulsar, "disse Enrico Ramirez-Ruiz, professor de astronomia e astrofísica na UC Santa Cruz.
Objetos astrofísicos compactos, como estrelas de nêutrons e buracos negros, são difíceis de estudar porque, quando estão estáveis, tendem a ser invisíveis, não emitindo radiação detectável. "Isso significa que somos tendenciosos no que podemos observar, "Ramirez-Ruiz explicou." Detectamos estrelas binárias de nêutrons em nossa galáxia quando uma delas é um pulsar, e as massas desses pulsares são quase todas idênticas - não vemos nenhuma estrela de nêutrons pesada. "
A detecção do LIGO de uma fusão de estrelas de nêutrons pesadas a uma taxa semelhante à do sistema binário mais leve implica que os pares de estrelas de nêutrons pesados devem ser relativamente comuns. Então, por que eles não aparecem na população de pulsares?
No novo estudo, Ramirez-Ruiz e seus colegas focaram nas supernovas de estrelas despojadas em sistemas binários que podem formar "objetos compactos duplos" consistindo de duas estrelas de nêutrons ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Uma estrela despojada, também chamada de estrela de hélio, é uma estrela que teve seu envelope de hidrogênio removido por suas interações com uma estrela companheira.
O estudo, publicado em 8 de outubro em Cartas de jornal astrofísico , foi liderado por Alejandro Vigna-Gomez, um astrofísico do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague, onde Ramirez-Ruiz detém uma cátedra Niels Bohr.
"Usamos modelos estelares detalhados para acompanhar a evolução de uma estrela despojada até o momento em que explode em uma supernova, "Vigna-Gomez disse." Assim que chegarmos ao tempo da supernova, fazemos um estudo hidrodinâmico, onde estamos interessados em acompanhar a evolução do gás em explosão. "
A estrela despojada, em um sistema binário com uma estrela de nêutrons companheira, começa dez vezes mais maciço do que o nosso sol, mas é tão denso que é menor que o diâmetro do sol. O estágio final de sua evolução é uma supernova de colapso do núcleo, que deixa para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, dependendo da massa final do núcleo.
Os resultados da equipe mostraram que quando a enorme estrela despojada explode, algumas de suas camadas externas são rapidamente ejetadas do sistema binário. Algumas das camadas internas, Contudo, não são ejetados e eventualmente caem de volta no objeto compacto recém-formado.
"A quantidade de material agregado depende da energia da explosão - quanto maior a energia, quanto menos massa você pode manter, "Vigna-Gomez disse." Para a nossa estrela despojada de dez massas solares, se a energia da explosão for baixa, ele formará um buraco negro; se a energia for grande, manterá menos massa e formará uma estrela de nêutrons. "
Esses resultados não explicam apenas a formação de sistemas binários de estrelas de nêutrons pesados, como o revelado pelo evento de onda gravitacional GW190425, mas também prediz a formação de binários de estrela de nêutrons e buracos negros leves, como aquele que se fundiu no evento de onda gravitacional de 2020 GW200115.
Outra descoberta importante é que a massa do núcleo de hélio da estrela despojada é essencial para determinar a natureza de suas interações com sua companheira estrela de nêutrons e o destino final do sistema binário. Uma estrela de hélio com massa suficiente pode evitar a transferência de massa para a estrela de nêutrons. Com uma estrela de hélio menos massiva, Contudo, o processo de transferência de massa pode transformar a estrela de nêutrons em um pulsar que gira rapidamente.
"Quando o núcleo de hélio é pequeno, se expande, e então a transferência de massa gira a estrela de nêutrons para criar um pulsar, "Ramirez-Ruiz explicou." Núcleos maciços de hélio, Contudo, são mais ligados gravitacionalmente e não se expandem, portanto, não há transferência em massa. E se eles não girarem em um pulsar, nós não os vemos. "
Em outras palavras, pode muito bem haver uma grande população não detectada de binários pesados de estrelas de nêutrons em nossa galáxia.
"Transferir massa para uma estrela de nêutrons é um mecanismo eficaz para criar pulsares que giram rapidamente (milissegundos), "Vigna-Gomez disse." Evitar este episódio de transferência em massa, pois sugerimos que há uma população silenciosa de tais sistemas na Via Láctea. "
