天体物理学家解释异常重的中子星双星的起源


在双中子星形成的后期阶段,巨星膨胀并吞没中子星伴星,这一阶段被称为共同包络演化(a)。包络的抛射使中子星处于一个剥离包络星的近距离轨道上。系统的演化取决于质量比。质量更少被恒星经历一个额外的传质阶段,进一步带星和回收脉冲星伴侣,导致系统,如观察到二进制中子星在银河系和GW170817 (b)。更巨大的剥夺了恒星不扩大,因此避免进一步剥离和同伴回收,最后,更大质量的被剥离的恒星将导致黑洞中子星双星,如GW200115 (d)。

一项新的研究显示剥夺了大质量恒星在超新星的爆炸可以导致沉重的形成中子星或黑洞光解决最具挑战性的难题之一,摆脱探测引力波天文台的中子星合并LIGO和处女座。

2017年,美国先进激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到引力波,这是一次中子星合并,基本符合天体物理学家的预期。但在2019年发现的第二次是两颗中子星的合并,这两颗中子星的合并质量出人意料地大。

加州大学圣克鲁兹分校(UC Santa Cruz)天文学和天体物理学教授恩里科·拉米雷斯-鲁伊斯(Enrico Ramirez-Ruiz)说:“这太令人震惊了,我们不得不开始思考如何在不让它成为脉冲星的情况下创造一颗重中子星。”

中子星和黑洞等致密天体的研究具有挑战性,因为当它们稳定时,往往是看不见的,不会发出可探测到的辐射。拉米雷斯-鲁伊兹解释说:“这意味着我们对我们所观察到的东西有偏见。”“我们已经在我们的星系中发现了中子星双星,其中一个是脉冲星,这些脉冲星的质量几乎都是相同的——我们没有看到任何重的中子星。”

LIGO探测到的重中子星合并速度与较轻的双星系统相似,这意味着重中子星对应该是相对常见的。那么为什么它们没有出现在脉冲星中呢?

在这项新研究中,Ramirez-Ruiz和他的同事们集中研究了在双星系统中被剥离的恒星的超新星,这些双星系统可以形成由两颗中子星或一颗中子星和一个黑洞组成的“双致密物体”。被剥离的恒星,也被称为氦恒星,是一种由于与伴星的相互作用而使其氢包膜被剥离的恒星。

这项研究发表在10月8日的《天体物理学杂志通讯》上,由哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的天体物理学家Alejandro Vigna-Gomez领导,Ramirez-Ruiz是该研究所的尼尔斯·玻尔教授。

维尼亚-戈麦斯说:“我们使用了详细的恒星模型来跟踪一颗被剥离的恒星的演化,直到它在超新星中爆炸。”“一旦我们到达超新星爆发的时间,我们就会进行流体动力学研究,我们感兴趣的是跟踪气体爆炸的演变。”

这颗被剥离的恒星,在一个有中子星伴星的双星系统中,开始时的质量是太阳的10倍,但密度如此之大,其直径比太阳还要小。其演化的最后阶段是核坍缩超新星,它留下的要么是中子星,要么是黑洞,这取决于核的最终质量。

研究小组的结果表明,当这颗大质量的被剥离的恒星爆炸时,它的一些外层会从双星系统中迅速喷发出来。然而,一些内层并没有被抛出,最终落回到新形成的致密物体上。

“物质的数量取决于爆炸能量——能量越高,你能保留的质量就越少,”维尼亚-戈麦斯说。“对于我们这个10个太阳质量的被剥离的恒星,如果爆炸能量很低,它会形成一个黑洞;如果能量大,它就会保持较小的质量,从而形成中子星。”

这些结果不仅解释了重中子星双星系统的形成,如引力波事件GW190425所揭示的,而且预测了中子星和轻黑洞双星的形成,如2020年引力波事件GW200115所揭示的合并。

另一个重要的发现是,被剥离的恒星的氦核的质量对于决定它与它的中子星同伴相互作用的性质和双星系统的最终命运至关重要。质量足够大的氦星可以避免将质量转移到中子星上。然而,对于质量较小的氦星,质量传递过程可以将中子星转变为快速旋转的脉冲星。

拉米雷斯-鲁伊斯解释说:“当氦核很小时,它就会膨胀,然后质量传递使中子星旋转起来,形成脉冲星。”“然而,大质量的氦核更受引力束缚,不会膨胀,所以不存在质量传递。如果它们不自旋成脉冲星,我们就看不到它们。”

换句话说,在我们的星系中可能有大量未被发现的重中子星双星。

Vigna-Gomez说:“将质量转移到中子星上是产生快速旋转(毫秒)脉冲星的有效机制。”“正如我们建议的那样,避免这种质量转移,暗示了银河系中有一个无线电安静的星系群。”

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除了Vigna-Gomez和Ramirez-Ruiz,论文的合著者还包括Niels玻尔研究所的Sophie Schroder;克里特岛大学的David Aguilera-Dena;墨西哥国家天体物理研究所的Aldo Batta;德国波恩大学的诺伯特·兰格(Norbert Langer);以及澳大利亚莫纳什大学的Reinhold Willcox。这项工作得到了Heising-Simons基金会、丹麦国家研究基金会和美国国家科学基金会的支持。

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