Neue Forschungen, die zeigen, wie die Explosion eines massereichen Sterns zur Bildung eines schweren Neutronensterns oder eines leichten Schwarzen Lochs führen kann, lösen eines der schwierigsten Rätsel beim Nachweis von Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen.
Der erste Nachweis solcher Wellen aus der Verschmelzung von Neutronensternen durch das Gravitationswellenobservatorium mit einem Laserinterferometer (LIGO) erfolgte 2017. Es war eine Verschmelzung zweier Neutronensterne, die weitgehend den Erwartungen der Astrophysiker entsprach. Aber die zweite Entdeckung im Jahr 2019 war die Verschmelzung zweier Neutronensterne, deren kombinierte Masse überraschend groß ausfiel.
„Es war so schockierend, dass wir darüber nachdenken mussten, wie wir einen schweren Neutronenstern erschaffen können, ohne ihn in einen Pulsar zu verwandeln“, sagte Enrico Ramirez-Ruiz, Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of California in Santa Cruz.
Kompakte astrophysikalische Objekte wie Neutronensterne und Schwarze Löcher sind schwer zu untersuchen, da sie, wenn sie stabil sind, normalerweise unsichtbar sind. „Das bedeutet, dass wir voreingenommen sind, was wir beobachten können“, erklärte Ramirez-Ruiz. "Wir haben in unserer Galaxie Doppelneutronensterne gefunden, wenn einer von ihnen ein Pulsar ist, und die Massen dieser Pulsare sind fast alle identisch - wir sehen keine schweren Neutronensterne."
LIGOs Entdeckung einer Verschmelzung schwerer Neutronensterne mit einer ähnlichen Geschwindigkeit wie die leichteren Doppelsterne bedeutet, dass Paare von schweren Neutronensternen relativ häufig vorkommen sollten. Warum tauchen sie also nicht in der Pulsarpopulation auf?
Siehe auch Sonnenwind sparen In der neuen Studie konzentrierten sich die Wissenschaftler auf Supernovae in Doppelsternsystemen, die „binäre kompakte Objekte“ bilden können, die entweder aus zwei Neutronensternen oder einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch bestehen.
Ein Heliumstern ist ein Stern, dessen Wasserstoffhülle aufgrund von Wechselwirkungen mit einem Begleitstern entfernt wurde. „Wir haben detaillierte Sternmodelle verwendet, um die Entwicklung eines Heliumsterns bis zur Supernova-Explosion zurückzuverfolgen“, sagen Astronomen. "Sobald wir den Zeitpunkt des Supernova-Auftretens erreichen, betreiben wir hydrodynamische Forschungen, bei denen wir daran interessiert sind, die Entwicklung des explodierenden Gases zu verfolgen."
Ein Heliumstern in einem Doppelsternsystem mit Neutronenstern ist zunächst zehnmal massereicher als unsere Sonne, aber so dicht, dass sein Durchmesser kleiner ist als der der Sonne. Die letzte Stufe ihrer Entwicklung ist eine Supernova mit Kernkollaps, die je nach Endmasse des Kerns einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch hinterlässt.
Die Ergebnisse zeigten, dass bei der Explosion eines massereichen Sterns einige seiner äußeren Schichten schnell aus dem Doppelsternsystem herausgeschleudert werden. Einige der inneren Schichten werden jedoch nicht weggeworfen und fallen schließlich auf das neu gebildete kompakte Objekt zurück.
Die Menge an wachsendem Material hängt von der Energie der Explosion ab – je höher die Energie, desto weniger Masse kann man einsparen“, sagen die Forscher bildet ein Schwarzes Loch; wenn die Energie groß ist, wird sie weniger Masse bewahren und einen Neutronenstern bilden.
Diese Ergebnisse erklären nicht nur die Entstehung von Doppelsystemen schwerer Neutronensterne, wie sie durch das Gravitationswellenereignis GW190425 entdeckt wurden, sondern sagen auch die Bildung von Doppelsystemen eines Neutronensterns und eines leichten Schwarzen Lochs voraus, wie z verschmolzen im Gravitationsereignis 2020 des Jahres, bekannt als GW200115.
Eine weitere wichtige Schlussfolgerung ist, dass die Masse des Heliumkerns eines solchen Sterns wichtig ist, um die Art seiner Wechselwirkungen mit einem Neutronenstern und das endgültige Schicksal des Doppelsternsystems zu bestimmen. Ein ausreichend massereicher Heliumstern kann die Übertragung von Masse auf einen Neutronenstern vermeiden. Bei einem weniger massereichen Heliumstern könnte der Massentransferprozess jedoch einen Neutronenstern in einen schnell rotierenden Pulsar verwandeln.
"Wenn der Heliumkern klein ist, dehnt er sich aus, und dann dreht der Neutronenstern durch Massentransfer zu einem Pulsar", erklärten die Wissenschaftler. „Massive Heliumkerne sind jedoch stärker gravitativ gebunden und dehnen sich nicht aus, sodass kein Stofftransport stattfindet. Und wenn sie sich nicht in einem Pulsar drehen, sehen wir sie nicht."
Mit anderen Worten, unsere Galaxie könnte durchaus eine große unentdeckte Population von binären schweren Neutronensternen haben.
Die Studie wurde in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
2021-10-12 05:26:06
Autor: Vitalii Babkin