Астрофизики объяснили происхождение необычно тяжелых двойных нейтронных звезд
Компактные астрофизические объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, сложно изучать, потому что, когда они стабильны, они, как правило, невидимы
Новое исследование, показывающее, как взрыв массивной звезды может привести к образованию тяжелой нейтронной звезды или легкой черной дыры, решает одну из самых сложных загадок, возникающих при обнаружении гравитационных волн от слияния нейтронных звезд.
Первое обнаружение подобных волн от слияния нейтронных звезд гравитационно-волновой обсерваторией с лазерным интерферометром (LIGO) было в 2017 году. Это было слияние двух 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 шокирующим, что нам пришлось задуматься о том, как можно создать тяжелую нейтронную звезду, не превращая ее в пульсар», — 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. «Это означает, что мы предвзято относимся к тому, что можем наблюдать», — пояснил Рамирес-Руис. «Мы обнаружили двойные нейтронные звезды в нашей галактике, когда одна из них является пульсаром, и массы этих пульсаров почти все идентичны — мы не видим никаких 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 обычными. Так почему же они не появляются в популяции пульсаров?
В новом исследовании ученые 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.
Гелиевая звезда, — это звезда, у которой была удалена водородная оболочка из-за взаимодействия со звездой-компаньоном. «Мы использовали подробные звездные модели, чтобы проследить эволюцию гелиевой звезды до момента взрыва сверхновой», — говорят астрономы. «Как только мы достигаем времени появления сверхновой, мы проводим гидродинамическое исследование, в ходе которого нам интересно проследить эволюцию взрывающегося газа».
Гелиевая звезда в двойной системе с нейтронной звездой вначале в десять раз массивнее нашего Солнца, но настолько плотна, что ее диаметр меньше, чем у Солнца. Заключительным этапом ее эволюции является сверхновая звезда с коллапсом ядра, которая оставляет после себя нейтронную звезду или черную дыру, в зависимости от конечной массы ядра.
Результаты показали, что когда массивная звезда взрывается, некоторые из ее внешних слоев быстро выбрасываются из двойной системы. Однако некоторые внутренние слои не выбрасываются и в конечном итоге падают обратно на вновь сформированный компактный объект.
«Количество нарастающего материала зависит от энергии взрыва — чем выше энергия, тем меньшую массу вы можете сохранить», — говорят исследователи «Для нашей звезды с массой в десять солнечных масс, если энергия взрыва мала, она образует черную дыру; если энергия большая, она сохранит меньшую массу и сформирует нейтронную звезду».
Эти результаты не только объясняют образование двойных систем тяжелых нейтронных звезд, таких как та, которая была обнаружена в результате гравитационно-волнового события GW190425, но также предсказывают формирование двойных систем нейтронной звезды и легкой черной дыры, таких как та, которая слилась в гравитационном событии 2020 года, известным как GW200115.
Другой важный вывод заключается в том, что масса гелиевого ядра такой звезды имеет важное значение для определения характера ее взаимодействий с нейтронной звездой и окончательной 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 массообмен раскручивает нейтронную звезду, чтобы создать пульсар», — объяснили ученые. «Массивные гелиевые ядра, однако, более гравитационно связаны и не расширяются, поэтому массопереноса не происходит. И если они не вращаются в пульсар, мы их не видим».
Другими словами, в нашей галактике вполне может быть большая необнаруженная популяция двойных тяжелых нейтронных звезд.
Исследование было опубликовано в Astrophysical Journal Letters.