Een nieuwe studie die laat zien hoe de explosie van een gestripte massieve ster in een supernova kan leiden tot de vorming van een zware neutronenster of een licht zwart gat, lost een van de meest uitdagende puzzels op die voortkomen uit de detectie van neutronensterfusies door de zwaartekrachtsgolf observatoria LIGO en Maagd.

De eerste detectie van zwaartekrachtsgolven door de Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in 2017 was een fusie van neutronensterren die grotendeels overeenkwam met de verwachtingen van astrofysici. Maar de tweede ontdekking, in 2019, was een samensmelting van twee neutronensterren waarvan de gecombineerde massa onverwacht groot was.

"Het was zo schokkend dat we moesten nadenken over hoe we een zware neutronenster konden maken zonder er een pulsar van te maken. " zei Enrico Ramirez-Ruiz, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de UC Santa Cruz.

Compacte astrofysische objecten zoals neutronensterren en zwarte gaten zijn een uitdaging om te bestuderen, omdat ze, als ze stabiel zijn, meestal onzichtbaar zijn, geen waarneembare straling uitzendt. "Dat betekent dat we bevooroordeeld zijn in wat we kunnen waarnemen, " legde Ramirez-Ruiz uit. "We hebben dubbelsterren van neutronensterren in onze melkweg gedetecteerd, terwijl een van hen een pulsar is, en de massa's van die pulsars zijn bijna allemaal identiek - we zien geen zware neutronensterren."

LIGO's detectie van een fusie van zware neutronensterren met een snelheid die vergelijkbaar is met die van het lichtere dubbelstersysteem, impliceert dat zware neutronensterparen relatief veel voorkomen. Dus waarom komen ze niet voor in de pulsarpopulatie?

In de nieuwe studie Ramirez-Ruiz en zijn collega's concentreerden zich op de supernova's van gestripte sterren in binaire systemen die "dubbele compacte objecten" kunnen vormen, bestaande uit twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat. Een uitgeklede ster, ook wel een heliumster genoemd, is een ster waarvan het waterstofomhulsel is verwijderd door zijn interacties met een begeleidende ster.

De studie, gepubliceerd op 8 oktober in Astrofysische journaalbrieven , werd geleid door Alejandro Vigna-Gomez, een astrofysicus aan het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen, waar Ramirez-Ruiz een Niels Bohr-hoogleraarschap bekleedt.

"We gebruikten gedetailleerde stellaire modellen om de evolutie van een gestripte ster te volgen tot het moment dat deze explodeert in een supernova, "Zei Vigna-Gomez. "Zodra we de tijd van de supernova bereiken, we doen een hydrodynamische studie, waar we geïnteresseerd zijn in het volgen van de evolutie van het exploderende gas."

De uitgeklede ster, in een binair systeem met een neutronenster metgezel, begint tien keer massiever dan onze zon, maar zo dicht is het kleiner dan de zon in diameter. De laatste fase in zijn evolutie is een supernova die instort, die een neutronenster of een zwart gat achterlaat, afhankelijk van de uiteindelijke massa van de kern.

De resultaten van het team toonden aan dat wanneer de massieve gestripte ster explodeert, sommige van de buitenste lagen worden snel uit het binaire systeem geworpen. Sommige van de binnenste lagen, echter, worden niet uitgeworpen en vallen uiteindelijk terug op het nieuw gevormde compacte object.

"De hoeveelheid aangegroeid materiaal hangt af van de explosie-energie - hoe hoger de energie, hoe minder massa je kunt houden, "Zei Vigna-Gomez. "Voor onze tien-zonnemassa gestripte ster, als de explosie-energie laag is, het zal een zwart gat vormen; als de energie groot is, het zal minder massa behouden en een neutronenster vormen."

Deze resultaten verklaren niet alleen de vorming van binaire systemen van zware neutronensterren, zoals die onthuld door de zwaartekrachtgolfgebeurtenis GW190425, maar voorspel ook de vorming van dubbelsterren van neutronensterren en lichte zwarte gaten, zoals degene die samenging in de zwaartekrachtgolfgebeurtenis GW200115 in 2020.

Een andere belangrijke bevinding is dat de massa van de heliumkern van de gestripte ster essentieel is bij het bepalen van de aard van zijn interacties met zijn metgezel van de neutronenster en het uiteindelijke lot van het dubbelstersysteem. Een voldoende massieve heliumster kan het overbrengen van massa op de neutronenster vermijden. Met een minder zware heliumster, echter, het massaoverdrachtsproces kan de neutronenster transformeren in een snel draaiende pulsar.

"Als de heliumkern klein is, het breidt zich uit, en dan draait massaoverdracht de neutronenster op om een ​​pulsar te creëren, " legde Ramirez-Ruiz uit. "Massieve heliumkernen, echter, zijn meer aan de zwaartekracht gebonden en zetten niet uit, dus er is geen massaoverdracht. En als ze niet veranderen in een pulsar, wij zien ze niet."

Met andere woorden, er kan heel goed een grote onopgemerkte populatie van zware dubbelsterren van neutronensterren in onze melkweg zijn.

"Het overbrengen van massa naar een neutronenster is een effectief mechanisme om snel ronddraaiende (milliseconden) pulsars te creëren, "Zei Vigna-Gomez. "Het vermijden van deze aflevering van massale overdracht, zoals we suggereren, geeft aan dat er een radiostille populatie van dergelijke systemen in de Melkweg is."