En las últimas etapas de la formación de estrellas de neutrones binarios, la estrella gigante se expande y envuelve a la estrella de neutrones compañera en una etapa conocida como evolución de envoltura común (a). La expulsión de la envoltura deja a la estrella de neutrones en una órbita cercana con una estrella de envoltura desnuda. La evolución del sistema depende de la relación de masa. Las estrellas despojadas menos masivas experimentan una fase de transferencia de masa adicional que despoja aún más a la estrella y recicla al púlsar compañero, conduciendo a sistemas como las estrellas de neutrones binarios observadas en la Vía Láctea y GW170817 (b). Las estrellas desnudas más masivas no se expanden tanto, evitando así un mayor desmontaje y reciclaje complementario, conduciendo a sistemas como GW190425 (c). Finalmente, Incluso las estrellas desnudas más masivas conducirán a binarias de estrellas de neutrones y agujero negro como GW200115 (d). Crédito:Vigna-Gomez et al.
Un nuevo estudio que muestra cómo la explosión de una estrella masiva desnuda en una supernova puede conducir a la formación de una estrella de neutrones pesada o un agujero negro ligero resuelve uno de los acertijos más desafiantes que surgen de la detección de fusiones de estrellas de neutrones por la onda gravitacional. observatorios LIGO y Virgo.
La primera detección de ondas gravitacionales por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser Avanzado (LIGO) en 2017 fue una fusión de estrellas de neutrones que se ajustó en su mayoría a las expectativas de los astrofísicos. Pero la segunda detección, en 2019, fue una fusión de dos estrellas de neutrones cuya masa combinada fue inesperadamente grande.
“Fue tan impactante que tuvimos que empezar a pensar en cómo crear una estrella de neutrones pesada sin convertirla en un púlsar, "dijo Enrico Ramirez-Ruiz, profesor de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz.
Los objetos astrofísicos compactos como las estrellas de neutrones y los agujeros negros son difíciles de estudiar porque cuando están estables tienden a ser invisibles. emitiendo radiación no detectable. "Eso significa que estamos sesgados en lo que podemos observar, "Explicó Ramírez-Ruiz." Hemos detectado binarias de estrellas de neutrones en nuestra galaxia cuando una de ellas es un púlsar, y las masas de esos púlsares son casi todas idénticas; no vemos ninguna estrella de neutrones pesados ".
La detección de LIGO de una fusión de estrellas de neutrones pesados a una velocidad similar a la del sistema binario más ligero implica que los pares de estrellas de neutrones pesados deberían ser relativamente comunes. Entonces, ¿por qué no aparecen en la población de púlsares?
En el nuevo estudio, Ramírez-Ruiz y sus colegas se centraron en las supernovas de estrellas desnudas en sistemas binarios que pueden formar "objetos dobles compactos" que consisten en dos estrellas de neutrones o una estrella de neutrones y un agujero negro. Una estrella desnuda también llamada estrella de helio, es una estrella a la que se le ha quitado su envoltura de hidrógeno por sus interacciones con una estrella compañera.
El estudio, publicado el 8 de octubre en Cartas de revistas astrofísicas , estuvo dirigido por Alejandro Vigna-Gómez, astrofísico del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, donde Ramirez-Ruiz tiene una cátedra Niels Bohr.
"Usamos modelos estelares detallados para seguir la evolución de una estrella desnuda hasta el momento en que explota en una supernova, ", Dijo Vigna-Gómez." Una vez que llegamos al momento de la supernova, hacemos un estudio hidrodinámico, donde estamos interesados en seguir la evolución del gas en explosión ".
La estrella desnuda en un sistema binario con una estrella de neutrones compañera, comienza diez veces más masivo que nuestro sol, pero tan denso que es más pequeño que el sol en diámetro. La etapa final de su evolución es una supernova de colapso del núcleo, que deja una estrella de neutrones o un agujero negro, dependiendo de la masa final del núcleo.
Los resultados del equipo mostraron que cuando la estrella masiva desnuda explota, algunas de sus capas externas se expulsan rápidamente del sistema binario. Algunas de las capas internas sin embargo, no son expulsados y eventualmente vuelven a caer sobre el objeto compacto recién formado.
"La cantidad de material acumulado depende de la energía de explosión:cuanto mayor es la energía, cuanta menos masa puedas mantener, ", Dijo Vigna-Gómez." Para nuestra estrella desnuda de diez masas solares, si la energía de explosión es baja, formará un agujero negro; si la energía es grande, mantendrá menos masa y formará una estrella de neutrones ".
Estos resultados no solo explican la formación de sistemas binarios de estrellas de neutrones pesados, como el revelado por el evento de ondas gravitacionales GW190425, pero también predicen la formación de estrellas de neutrones y binarios de agujeros negros ligeros, como el que se fusionó en el evento de ondas gravitacionales de 2020 GW200115.
Otro hallazgo importante es que la masa del núcleo de helio de la estrella desnuda es esencial para determinar la naturaleza de sus interacciones con su compañera estrella de neutrones y el destino final del sistema binario. Una estrella de helio suficientemente masiva puede evitar transferir masa a la estrella de neutrones. Con una estrella de helio menos masiva, sin embargo, el proceso de transferencia de masa puede transformar la estrella de neutrones en un púlsar que gira rápidamente.
"Cuando el núcleo de helio es pequeño, se expande, y luego la transferencia de masa hace girar la estrella de neutrones para crear un púlsar, "Explicó Ramírez-Ruiz." Núcleos masivos de helio, sin embargo, están más vinculados gravitacionalmente y no se expanden, por lo que no hay transferencia de masa. Y si no giran en un púlsar, no los vemos ".
En otras palabras, Es muy posible que haya una gran población no detectada de binarias de estrellas de neutrones pesados en nuestra galaxia.
"Transferir masa a una estrella de neutrones es un mecanismo eficaz para crear púlsares que giran rápidamente (milisegundos), ", Dijo Vigna-Gómez." Evitando este episodio de transferencia masiva, ya que sugerimos indicios de que hay una población radio silenciosa de tales sistemas en la Vía Láctea ".
