Geheimen van de verbazingwekkende neutronensterren onthuld door zwaartekrachtsgolven

In de latere stadia van de vorming van binaire neutronensterren zet de reuzenster uit en overspoelt de metgezel van de neutronenster in een fase die co-evolutie wordt genoemd (a). De uitdrijving van de mantel verlaat de neutronenster in een nauwe baan met een ster ontdaan van zijn mantel. De evolutie van het systeem hangt af van de massaverhouding. Minder massieve naakte sterren ondergaan een extra massaoverdrachtsfase die het strippen van de ster en het recyclen van de pulsar-metgezel verhoogt, wat leidt tot systemen zoals de waargenomen binaire neutronensterren in de Melkweg en GW170817 (b). Zware sterren zetten niet zo veel uit, waardoor verdere abstractie en bijbehorende recycling worden vermeden, wat leidt tot systemen zoals GW190425(c). Ten slotte zullen zelfs de meest massieve kale sterren resulteren in dubbelsterren van zwarte gaten en neutronensterren, zoals GW200115 (d). Krediet: Vigna-Gomez et al. , ApJL 2021

Bevestigen zwaartekrachtsgolven In 2017 blijft het hele nieuwe werelden van de natuurkunde ontsluiten, maar het roept ook steeds meer vragen op. Het detecteren van elke zwaartekrachtgolf brengt een nieuwe uitdaging met zich mee: hoe erachter te komen wat de gebeurtenis heeft veroorzaakt. Soms is dit moeilijker dan het lijkt. Een team onder leiding van Alejandro Vigna Gomez van de Universiteit van Kopenhagen denkt dat ze een model van sterdood hebben gevonden dat sommige eerder onverklaarbare resultaten helpt verklaren – en wijst op een sterrenstelsel met veel massievere neutronensterren dan eerder werd gedacht.

In de wetenschap is het gebruikelijk om data te verzamelen die niet passen in de huidige wetenschappelijke theorie. Dit soort onverwachte gegevens kwamen van de tweede laserinterferometer (LIGO) zwaartekrachtgolfdetectie. Gebruikelijk, Lego Het zal de zwaartekrachtsgolven registreren die worden gegenereerd door de botsing van twee zeer dichte objecten, zoals a Zwart gat en neutronenster. In het geval van de tweede positieve opname, die aanvankelijk in 2019 werd geregistreerd en nu bekend staat als GW190425, gaven de gegevens aan dat de bron twee compacte neutronensterren was, maar ze waren verrassend groot.

Gemiddelde neutronensterren zijn moeilijk te “zien” in de traditionele zin. Net als hun naaste neef, het zwarte gat, vormen ze zich meestal pas nadat een massieve ster is ontploft. Soms vormen ze echter pulsars, waardoor een stervorm ontstaat die een van de meest zichtbare in het universum is. Gewoonlijk is de enige manier om een ​​binair neutronenstersysteem te zien, zoals degene die het zwaartekrachtgolfsignaal GW190425 heeft gegenereerd, als een van de twee sterren in het systeem pulsar Vervolgens interageert het met zijn gebruikelijke buurneutronenster. Maar geen van de bekende dubbelstersystemen heeft sterren die zwaar genoeg zijn om het signaal van LIGO te evenaren.

Ze misten dergelijke sterren gedeeltelijk omdat grotere sterren in zwarte gaten veranderen in plaats van neutronensterren wanneer ze sterven. De zwaartekrachtsignalen waren echter afkomstig van samensmeltende gigantische neutronensterren, niet van samensmeltende zwarte gaten. Dus wat veroorzaakt de vorming van deze grote neutronensterren, en waarom verschijnen ze niet in binaire paren met pulsars?

Volgens Dr. Vigna-Gomez kan het antwoord liggen in een type ster dat een ‘naakte ster’ wordt genoemd. Deze stellaire lichamen, ook wel heliumster genoemd, vormen zich alleen in binaire systemen en hun buitenste waterstofomhulsel wordt weggedrukt door de andere ster in het systeem, waardoor een kern van puur helium overblijft. Het team heeft dit soort sterren gemodelleerd om te begrijpen wat er met hen gebeurt na een supernova. Het hangt af van twee factoren: het gewicht van de resterende kern en de sterkte van de supernova-explosie.

Met behulp van modellen van stellaire evolutie toonde het team aan dat voor heliumsterren sommige van de buitenste lagen van helium tijdens de explosie kunnen exploderen, waardoor het gewicht van de ster wordt verminderd tot het punt waarop het niet langer een zwart gat kan worden. Dit zou kunnen verklaren waar de zware neutronensterren vandaan komen, maar waarom zijn ze niet meer uitgesproken in binaire systemen met pulsars?

Het antwoord komt van een standaardproces in binaire systemen – massaoverdracht. Vaak verliest een ster in een binair systeem een ​​deel van zijn materie aan een andere, massievere ster, in een proces dat bekend staat als massaoverdracht. In neutronenstersystemen kan deze massaoverdracht soms een neutronenster in een pulsar doen draaien. Hoe groter de heliumkern van een ster, hoe kleiner de kans dat het proces van massaoverdracht plaatsvindt. Dus in systemen die massieve neutronensterren vormen, is het onwaarschijnlijk dat ze in een dubbelstersysteem met een pulsar terechtkomen. Ze zijn beter in staat om hun massa vast te houden in plaats van deze over te dragen aan hun binaire metgezel, waardoor deze oplicht als een pulsar.

Andere gegevens van LIGO ondersteunen deze theorie. Het samensmelten van zware neutronensterren lijkt in het heelal net zo gewoon te zijn als het samensmelten van minder massieve neutronensterren met pulsars. Er kan een hele reeks grote binaire systemen van neutronensterren bestaan, onzichtbaar voor onze gebruikelijke detectiemethoden. Maar nu, met LIGO, zouden we op zijn minst in staat moeten zijn om te zien wanneer ze fuseren, en dat is weer een stap om ze echt te begrijpen.

Oorspronkelijk geplaatst in universum vandaag.

Voor meer informatie over dit onderzoek, zie Astrofysici verklaren de prikkelende resultaten van observatoria voor zwaartekrachtgolven.

Referentie: “Back-up supernovacluster van zware binaire neutronensterren en licht zwart gat – neutronensterparen en de gemeenschappelijke stellaire oorsprong van GW190425 en GW200115” door Alejandro Vigna-Gómez, Sophie L. Schroeder, Enrico Ramirez-Ruiz, David R. Aguilera- Dina, Aldo Bata, Norbert Langer en Reinhold Wilcox, 8 oktober 2021, hier beschikbaar. Astrofysische journaalbrieven.
DOI: 10.3847 / 2041-8213 / ac2903