天体物理学家找到了能解释中子星双星起源的方法

据外媒报道,一项新研究显示,在超新星中被剥离的大质量恒星的爆炸如何导致重中子星或轻黑洞的形成解决了引力波观测站LIGO和Virgo对中子星合并的探测中出现的最具挑战性的难题之一。

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高级激光干涉仪引力波天文台(LIGO)在2017年首次探测到的引力波是中子星合并,大部分符合天体物理学家的预期。但2019年的第二次探测则是两颗中子星的合并,其合并质量之大出乎意料。

加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学教授Enrico Ramirez-Ruiz说道:“这太令人震惊了,我们不得不开始思考如何在不使其成为脉冲星的情况下创造一个重中子星。”

像中子星和黑洞这样紧凑的天体物理学物体的研究具有挑战性,因为当它们稳定的时候它们往往是不可见的、不会发出可探测的辐射。Rmirez-Ruiz指出:“这意味着我们在能够观察到的东西方面有偏差。我们在银河系中检测到了中子星双星,当时其中一个是脉冲星,而这些脉冲星的质量几乎都是一样的--我们没有看到任何重的中子星。”

LIGO检测到重中子星合并的速度跟较轻的双星系统相似,这意味着重中子星对应该是比较常见的。那么为什么它们没有出现在脉冲星群中呢?

在新研究中,Ramirez-Ruiz和他的同事专注于双星系统中的剥离星的超新星,这些剥离星可以形成由两颗中子星或一颗中子星和一个黑洞组成的“双紧凑天体”。剥离的恒星也被称为氦星,是一颗因跟伴星的相互作用而去掉了氢气包膜的恒星。

这项研究于2021年10月8日发表在《Astrophysical Journal Letters》上。

Vigna-Gomez指出:“我们使用详细的恒星模型来跟踪一颗剥离的恒星的演变,直到它在超新星中爆炸的那一刻。一旦我们到达超新星的时间,我们就会做一个流体力学研究,我们对跟踪爆炸气体的演变感兴趣。”

被剥离的恒星其质量在一个跟中子星同伴的双星系统中开始时比我们的太阳大十倍,但在直径上却比太阳还小。其演化的最后阶段是核心塌缩超新星,它留下的是一颗中子星或一个黑洞,具体取决于核心的最终质量。

研究小组的结果显示,当这个巨大的剥离星爆炸时,它的一些外层被迅速地从双星系统中弹出。然而一些内层没有被弹出,最终落回新形成的紧凑物体上。

Vigna-Gomez表示:“增加的物质数量取决于爆炸能量--能量越高,你能保留的质量就越少。对于我们的十太阳质量的剥离恒星来说,如果爆炸能量低,那么它将形成一个黑洞;如果能量大,它将保持较少的质量,然后形成一个中子星。”

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所揭示的系统,而且还预测了中子星和轻黑洞双星的形成如2020年引力波事件GW200115中合并的系统。

另一个重要的发现是,剥离恒星的氦核的质量对于决定其跟中子星同伴的相互作用的性质和双星系统的最终命运至关重要。足够大质量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,质量转移过程可以将中子星变成一个快速旋转的脉冲星。

Ramirez-Ruiz说道:“当氦核小的时候,它就会膨胀,然后质量转移使中子星旋转起来进而形成一个脉冲星。然而,大质量的氦核受到更多的引力约束,不会膨胀,所以没有质量转移。如果它们不旋转成脉冲星,我们就看不到它们。”

换言之,在我们的银河系中,很可能存在大量未被发现的重中子星双星群。

“将质量转移到中子星上是创造快速旋转(毫秒级)脉冲星的有效机制,”Vigna-Gomez说道,“像我们建议的那样避免这种质量转移的情节,这在暗示在银河系中有一个无线电安静的这类系统的群体。”

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