Astrofísicos explicam a origem de estrelas binárias de nêutrons excepcionalmente pesadas

Uma nova pesquisa que mostra como a explosão de uma estrela massiva pode levar à formação de uma estrela de nêutrons pesada ou buraco negro leve resolve um dos mistérios mais difíceis na detecção de ondas gravitacionais de estrelas de nêutrons em fusão.

Nos estágios finais da formação de estrelas de neutrões binárias, a estrela gigante expande-se e engolfa a estrela de neutrões companheira, num estágio de evolução conhecido como evoluação de invólucro comum (a). A ejeção do invólucro deixa a estrela de neutrões numa órbita próxima com uma estrela de invólucro despojado. A evolução do sistema depende da proporção de massa. Estrelas despojadas menos massivas passam por uma fase de transferência de massa adicional que despoja ainda mais a estrela e recicla a companheira pulsar, levando a sistemas como as estrelas de neutrões binárias observadas na Via Láctea e nem GW170817 (b). As estrelas despojadas mais massivas não se expandem tanto, evitando assim despojo adicional e reciclagem da companheira, levando a sistemas como GW190425 (c). Finalmente, estrelas ainda mais massivas e despojadas levarão a binários compostos por uma estrela de neutrões e por um buraco negro, como GW200115 (d). Crédito: Vigna-Gomez et al., ApJL 2021

A primeira detecção dessas ondas a partir da fusão de estrelas de nêutrons pelo observatório de ondas gravitacionais com um interferômetro a laser (LIGO) foi em 2017. Foi uma fusão de duas estrelas de nêutrons, o que estava de acordo com as expectativas dos astrofísicos. Mas a segunda descoberta em 2019 foi a fusão de duas estrelas de nêutrons, cuja massa combinada acabou sendo surpreendentemente grande. 

“Foi tão chocante que tivemos que pensar em como poderíamos criar uma estrela de nêutrons pesada sem transformá-la em um pulsar”, disse Enrico Ramirez-Ruiz, professor de astronomia e astrofísica da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz. 

Objetos astrofísicos compactos como estrelas de nêutrons e buracos negros são difíceis de estudar porque, quando estáveis, geralmente são invisíveis. “Isso significa que somos tendenciosos sobre o que podemos observar”, explicou Ramirez-Ruiz. "Encontramos estrelas de nêutrons duplas em nossa galáxia quando uma delas é um pulsar, e as massas desses pulsares são quase todas idênticas - não vemos nenhuma estrela de nêutrons pesada." 

A detecção do LIGO de uma fusão de estrelas de nêutrons pesadas a uma taxa semelhante à do binário mais leve significa que pares de estrelas de nêutrons pesadas devem ser relativamente comuns. Então, por que eles não aparecem na população de pulsares? 

Veja também Saving solar wind No novo estudo, os cientistas se concentraram em supernovas em sistemas binários, que podem formar "objetos compactos binários" consistindo de duas estrelas de nêutrons ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro. 

Uma estrela de hélio é uma estrela que teve seu envelope de hidrogênio removido devido a interações com uma estrela companheira. “Usamos modelos estelares detalhados para rastrear a evolução de uma estrela de hélio até a explosão da supernova”, dizem os astrônomos. "Assim que chegarmos ao momento do aparecimento da supernova, conduzimos pesquisas hidrodinâmicas, durante as quais estamos interessados ​​em rastrear a evolução do gás em explosão." 

Uma estrela de hélio em um sistema binário com uma estrela de nêutrons é, a princípio, dez vezes mais massiva que nosso Sol, mas tão densa que seu diâmetro é menor que o do Sol. O estágio final de sua evolução é uma supernova com o colapso do núcleo, que deixa para trás uma estrela de nêutrons ou buraco negro, dependendo da massa final do núcleo. 

Os resultados mostraram que quando uma estrela massiva explode, algumas de suas camadas externas são rapidamente ejetadas do binário. No entanto, algumas das camadas internas não são jogadas fora e, eventualmente, caem de volta no objeto compacto recém-formado. 

A quantidade de material em crescimento depende da energia da explosão - quanto maior a energia, menos massa você pode economizar ", dizem os pesquisadores." Para nossa estrela com uma massa de dez massas solares, se a energia da explosão for baixa, forma um buraco negro; se a energia for grande, ele conservará menos massa e formará uma estrela de nêutrons. 

Esses resultados não só explicam a formação de sistemas binários de estrelas de nêutrons pesadas, como o descoberto pelo evento de onda gravitacional GW190425, mas também preveem a formação de sistemas binários de uma estrela de nêutrons e um buraco negro leve, como o que fundidos no evento gravitacional 2020 do ano, conhecido como GW200115. 

Outra conclusão importante é que a massa do núcleo de hélio dessa estrela é importante para determinar a natureza de suas interações com uma estrela de nêutrons e o destino final do sistema binário. Uma estrela de hélio com massa suficiente pode evitar a transferência de massa para uma estrela de nêutrons. No entanto, com uma estrela de hélio menos massiva, o processo de transferência de massa poderia transformar uma estrela de nêutrons em um pulsar em rotação rápida.

 "Quando o núcleo de hélio é pequeno, ele se expande e, em seguida, a transferência de massa gira a estrela de nêutrons para criar um pulsar", explicaram os cientistas. “Núcleos de hélio maciço, no entanto, são mais ligados gravitacionalmente e não se expandem, então não há transferência de massa. E se eles não giram em um pulsar, nós não os vemos. " 

Em outras palavras, nossa galáxia pode muito bem ter uma grande população não detectada de estrelas binárias pesadas de nêutrons. 

O estudo foi publicado no Astrophysical Journal Letters.

Fonte: CCVALG.PT