Нове дослідження, де показано, як вибух масивної зорі, позбавленої верхніх шарів, може привести до утворення важкої нейтронної зорі або маломасивної чорної діри, вирішує одну з найскладніших головоломок, що виникають при спробі науковців пояснити результати реєстрації за допомогою гравітаційно-хвильових обсерваторій LIGO і Virgo сигналів від злиття нейтронних зір.

Гравітаційні хвилі, виявлені уперше за допомогою вдосконаленої Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) у 2017 році, були спричинені злиттям двох нейтронних зір, що головно відповідало очікуванням астрофізиків. Але друге виявлення, що трапилося в 2019 році, було спричинене злиттям двох нейтронних зір, загальна маса яких виявилася несподівано великою.

«Це було так неочікувано, що нам довелося міркувати над тим, як створити важку нейтронну зорю так, щоб вона не стала пульсаром», — сказав Енріко Рамірес-Руїс (Enrico Ramirez-Ruiz), професор астрономії та астрофізики Університету Санта-Крус.

Компактні астрофізичні об’єкти, такі як нейтронні зорі та чорні діри, є складними для вивчення, бо коли вони стабільні, то зазвичай непомітні, адже не створюють випромінювання, яке можна виявити. «Це означає, що ми обмежені в своїх спостереженнях таких об’єктів», — пояснив Рамірес-Руїс. «У виявлених в нашій галактиці подвійних нейтронних зорях, один із компонентів — це пульсар, а маси пульсарів майже всі однакові — ми не спостерігаємо масивних нейтронних зір».

Виявлення за допомогою LIGO злиття масивних нейтронних зір протягом відтинку часу, який відповідає часу злиття таких об’єктів у маломасивній подвійній системі означає, що пари масивних нейтронних зір мають бути відносно поширеними. То чому їх немає в популяції пульсарів?

У новому дослідженні Рамірес-Руїс та його колеги зосередили увагу на зорях без оболонок, що вибухають як наднові у подвійних системах, коли після спалаху наднової можуть утворюватися «подвійні компактні об’єкти», що складаються або з двох нейтронних зір, або з нейтронної зорі й чорної діри. Зоря без зовнішніх шарів (оболонки), яку також називають гелієвою зорею, — це зоря, що втратила оболонку з водню внаслідок взаємодії із зорею-компаньйоном.

На пізніх стадіях формування подвійної нейтронної зорі один із компаньйонів — нормальна зоря велетенських розмірів — розширюється і охоплює супутника (нейтронну зорю). Цю стадію розвитку подвійної зоряної системи називають еволюцією із загальною оболонкою (а). Після скидання верхніх шарів зорею-гігантом поряд із нейтронною зорею залишається зоря без оболонки, тобто гелієва зоря. Подальша еволюція системи залежить від співвідношення мас. Менш масивні зорі без оболонки переживають додаткову фазу масообміну, яка ще позбавляє зорю частини її маси, спричиняючи перетворення її супутника у пульсара. Цей механізм уможливлює появу таких систем, як спостережувані подвійні нейтронні зорі в Молочному Шляху та GW170817 (b). Більш масивні гелієві зорі не розширюються так сильно, що дозволяє уникнути подальшої втрати маси та перетворення компаньйонів на пульсари. Цей процес приводить до появи таких систем, як GW190425 (c). Нарешті, ще масивніші зорі без оболонки спричиняють утворення подвійної системи із нейтронної зорі та чорної діри, таких як GW200115 (d). Фото з сайту https://phys.org.

«Ми використовували докладні моделі зір, щоб прослідкувати за еволюцією зорі без оболонки до моменту її вибуху як наднової», — сказав астрофізик Алехандро Вінья-Ґомес (Alejandro Vigna-Gomez) з Інституту Нільса Бора Копенгагенського університету, який керував дослідженням. «Як тільки в моделі настає час наднової, ми виконуємо гідродинамічне дослідження, де стежимо за еволюцією газу, що вибухає».

Зоря без оболонки в подвійній системі, де другий компонент — нейтронна зоря, виникає внаслідок еволюції звичайної зорі, що в десять разів масивніша, ніж Сонце. Водночас вона має таку велику густину, що її діаметр менший від діаметра Сонця. Завершальним етапом еволюції такої зорі є наднова з колапсом (стисканням — Ред.) ядра, що спричиняє, залежно від кінцевої маси ядра, до появи або нейтронної зорі, або чорної діри.

Результати моделювання показали науковцям, що під час вибуху масивної зорі без оболонки частина її зовнішнього шару швидко вилітає за межі подвійної системи. Натомість інша частина падає на новоутворений компактний об’єкт.

«Кількість накопиченого матеріалу залежить від енергії вибуху — що вище енергія, то меншу масу ви можете утримати», — сказав Вінья-Ґомес. «Якщо енергія вибуху мала, то зоря в десять мас Сонця утворить чорну діру; якщо енергія велика — вона збереже менше маси й утворить нейтронну зорю».

Ці результати не тільки пояснюють утворення подвійних систем з масивними нейтронними зорями, таких як система, виявлена ​​внаслідок реєстрації гравітаційної хвилі GW190425, але також передбачають утворення подвійних систем з нейтронної зорі та маломасивної чорної діри, таких як та, що злилася із виділенням гравітаційних хвиль, зареєстрованих у 2020 році як подія GW200115.

Іншим важливим висновком є ​​те, що маса гелієвого ядра зорі без водневої оболонки є важливою для характеру її взаємодії із зорею-супутником, тобто нейтронною зорею, та кінцевої долі подвійної системи. Досить масивна гелієва зоря може зберегти свою речовину і вона не перетече на нейтронну зорю. Однак у випадку менш масивної гелієвої зорі процес обміну маси може привести до утворення із зорі-компаньйона нейтронної зорі з швидким обертанням, тобто пульсара.

«Коли гелієве ядро невелике, воно розширюється, а потім масообмін з компаньйоном приведе до формування з останнього пульсара», — пояснив Рамірес-Руїс. «Однак масивні гелієві ядра пов’язані гравітацією сильніше і не розширюються, тому немає масообміну. ​​І якщо вони не сприяють перетворенню своїх компаньйонів на пульсар, ми їх не бачимо».

Іншими словами, у нашій галактиці цілком може бути велика кількість досі невиявлених популяцій масивних подвійних нейтронних зір.

«Перенесення маси на нейтронну зорю є ефективним механізмом для утворення пульсарів з швидким обертанням (мілісекундних)», — зазначив Вінья-Ґомес. «Якщо процес передачі маси відсутній, то це є натяком на те, що в Молочному Шляху існує радіо-тиха популяція таких систем».

Результати дослідження оприлюднив 8 жовтня поточного року Astrophysical Journal Letters.

За інф. з сайту https://phys.org