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

0 356

Новое исследование, показывающее, как взрыв массивной 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 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 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?

Смотрите также  Есть ли жизнь на Венере?

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 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 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.

стадии образования двойной нейтронной звезды
На поздних стадиях образования двойной нейтронной гигантская звезда расширяется и поглощает спутника нейтронной звезды 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 соотношения масс. Менее массивные гелиевые звезды испытывают дополнительную фазу массопереноса, которая еще больше оголяет звезду, что приводит к таким системам, как наблюдаемые двойные нейтронные звезды в Млечном Пути и GW170817 (b). Более массивные гелиевые звезды не расширяются так сильно, что позволяет избежать дальнейшего расслоения и повторного использования компаньонов, что приводит к таким системам, как GW190425 (c). Наконец, даже более массивные гелиевые звезды приведут к двойным системам черная дыра-нейтронная звезда, таким как GW200115 (d).

«Количество нарастающего материала зависит от энергии взрыва — чем выше энергия, тем меньшую массу вы можете сохранить», — говорят исследователи «Для нашей с массой в десять солнечных масс, если взрыва мала, она образует черную дыру; если энергия большая, она сохранит меньшую массу и сформирует нейтронную звезду».

Смотрите также  Китай запустил миссию по сбору образцов лунного грунта Chang'e-5

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 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 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.

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x