Um novo estudo que mostra como a explosão de uma estrela massiva despojada em uma supernova pode levar à formação de uma estrela de nêutrons pesada ou um buraco negro leve resolve um dos quebra-cabeças mais desafiadores que emergem da detecção de fusões de estrelas de nêutrons pela onda gravitacional observatórios LIGO e Virgo.
Nos estágios finais da formação da estrela de nêutrons binária, a estrela gigante se expande e engolfa a companheira da estrela de nêutrons em um estágio conhecido como evolução de envelope comum (a). A ejeção do envelope deixa a estrela de nêutrons em uma órbita próxima com uma estrela de envelope despojado. A evolução do sistema depende da razão de massa. Estrelas menos massivas despojadas experimentam uma fase de transferência de massa adicional que desnuda ainda mais a estrela e recicla a companheira do pulsar, levando a sistemas como as estrelas binárias de nêutrons observadas na Via Láctea e GW170817 (b). Estrelas despojadas mais massivas não se expandem tanto, evitando assim mais descascamento e reciclagem companheira, levando a sistemas como GW190425 (c). Finalmente, estrelas ainda mais massivas e despojadas levarão a binários de estrela de nêutrons de buraco negro, como GW200115 (d). CRÉDITO (crédito da imagem: Vigna-Gomez et al., ApJL 2021)
A primeira detecção de ondas gravitacionais pelo Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em 2017 foi uma fusão de estrelas de nêutrons que atendeu principalmente às expectativas dos astrofísicos. Mas a segunda detecção, em 2019, foi uma fusão de duas estrelas de nêutrons cuja massa combinada era inesperadamente grande.
“Foi tão chocante que tivemos que começar a pensar em como criar uma estrela de nêutrons pesada sem torná-la um pulsar”, disse Enrico Ramirez-Ruiz, professor de astronomia e astrofísica da UC Santa Cruz.
Objetos astrofísicos compactos, como estrelas de nêutrons e buracos negros, são difíceis de estudar porque, quando estão estáveis, tendem a ser invisíveis, não emitindo radiação detectável. “Isso significa que somos tendenciosos no que podemos observar”, explicou Ramirez-Ruiz. “Detectamos estrelas binárias de nêutrons 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 sistema binário mais leve implica que os pares de estrelas de nêutrons pesados devem ser relativamente comuns. Então, por que eles não aparecem na população de pulsares?
No novo estudo, Ramirez-Ruiz e seus colegas focaram nas supernovas de estrelas despojadas em sistemas binários que podem formar “objetos compactos duplos” consistindo de duas estrelas de nêutrons ou uma estrela de nêutrons e um buraco negro. Uma estrela despojada, também chamada de estrela de hélio, é uma estrela que teve seu envelope de hidrogênio removido por suas interações com uma estrela companheira.
O estudo, publicado em 8 de outubro no Astrophysical Journal Letters, foi liderado por Alejandro Vigna-Gomez, um astrofísico do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague, onde Ramirez-Ruiz possui uma cátedra Niels Bohr.
“Usamos modelos estelares detalhados para acompanhar a evolução de uma estrela despojada até o momento em que ela explode em uma supernova”, disse Vigna-Gomez. “Assim que chegarmos à época da supernova, faremos um estudo hidrodinâmico, onde temos interesse em acompanhar a evolução da explosão do gás”.
A estrela despojada, em um sistema binário com uma estrela de nêutrons companheira, começa dez vezes mais massiva que o nosso sol, mas é tão densa que é menor que o diâmetro do sol. O estágio final de sua evolução é uma supernova de colapso do núcleo, que deixa para trás uma estrela de nêutrons ou um buraco negro, dependendo da massa final do núcleo.
Os resultados da equipe mostraram que, quando a massiva estrela despojada explode, algumas de suas camadas externas são rapidamente ejetadas do sistema binário. Algumas das camadas internas, no entanto, não são ejetadas e eventualmente caem de volta no objeto compacto recém-formado.
“A quantidade de material agregado depende da energia da explosão – quanto maior a energia, menos massa você pode manter”, disse Vigna-Gomez. “Para nossa estrela despojada de dez massas solares, se a energia da explosão for baixa, ela formará um buraco negro; se a energia for grande, ela manterá menos massa e formará uma estrela de nêutrons.”
Esses resultados não apenas explicam a formação de sistemas binários de estrelas de nêutrons pesados, como o revelado pelo evento de onda gravitacional GW190425, mas também preveem a formação de estrelas de nêutrons e binários de buracos negros leves, como aquele que se fundiu no período gravitacional de 2020 evento de onda GW200115.
Outra descoberta importante é que a massa do núcleo de hélio da estrela despojada é essencial para determinar a natureza de suas interações com sua companheira estrela de nêutrons e o destino final do sistema binário. Uma estrela de hélio com massa suficiente pode evitar a transferência de massa para a estrela de nêutrons. Com uma estrela de hélio menos massiva, no entanto, o processo de transferência de massa pode transformar a estrela de nêutrons em um pulsar que gira rapidamente.
“Quando o núcleo de hélio é pequeno, ele se expande e, em seguida, a transferência de massa faz girar a estrela de nêutrons para criar um pulsar”, explicou Ramirez-Ruiz. “Núcleos de hélio maciço, no entanto, são mais ligados gravitacionalmente e não se expandem, então não há transferência de massa. E se eles não girarem em um pulsar, não os veremos.”
Em outras palavras, pode muito bem haver uma grande população não detectada de binários pesados de estrelas de nêutrons em nossa galáxia.
“Transferir massa para uma estrela de nêutrons é um mecanismo eficaz para criar pulsares que giram rapidamente (milissegundos)”, disse Vigna-Gomez. “Evitar este episódio de transferência de massa, pois sugerimos que há uma população silenciosa de tais sistemas na Via Láctea.”
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