Астрономія
Астрономія

Астрофізики пояснили походження аномальних подвійних систем нейтронних зір

Дослідження злиття нейтронних зірок та пар чорна діра-нейтронна зірка за допомогою детектора LIGO показало, що маси об’єктів у цих системах не відповідають уявленням про механізми їхнього утворення. У новій роботі німецькі вчені пропонують пояснювати надмасивні злиття із масою від 3,6 маси Сонця еволюцією тісних пар масивних зірок при якому не відбувається перетікання речовини із зірки на нейтронну зірку на останніх етапах еволюції системи. Стаття доступна Astrophysical Journal Letters.

NASA

NASA

Що не так зі злиттями нейтронних зір?

Лабораторія LIGO призначена для дослідження гравітаційних хвиль. Гравітаційні хвилі народжуються зокрема тоді, коли зливаються разом дві чорні діри, дві нейтронні зірки або коли нейтронна зірка поглинається чорною дірою. При цьому, реєструючи гравітаційні хвилі, дослідники мають змогу оцінити масу об’єктів, що їх породили. У першому із зареєстрованих актів злиття двох нейтронних зірок GW170817, сумарна маса об’єктів становила 2,4 маси Сонця. А ось у GW190425 – акті злиття, який було зареєстровано у 2019 році маса пари нейтронних зірок оцінюється у 3,6 маси Сонця.

З кількох тисяч відомих зараз нейтронних зірок подвійними є близько двадцяти. Першу таку пару відкрили ще 1974 року і вже достатньо давно отримало своє визнання уявлення про те, що пари нейтронних зірок утворюються із близьких пар масивних зірок. При цьому більш масивна зірка першою перетворюється на нейтронну, а друга ще деякий час залишається червоним гігантом. При цьому вона поступово перетворюється на червоний гігант, її зовнішні оболонки розширюються і речовина з неї починає перетікати на нейтронну зірку.

Внаслідок цього у «зірки-донора» оголюється її гелієве ядро і вона перетворюється на так звану гелієву зірку. А нейтронна зоря починає частково поглинати речовину, що на неї падає, а частково – розсіювати її у навколишньому просторі, випромінюючи при цьому радіохвилі. Внаслідок цього процесу загальна маса системи зменшується і коли друга зірка таки спалахує як наднова та перетворюється на другу нейтронну зірку, то загальна маса системи зменшується. І такі системи ніяк не можуть мати масу у 3,6 маси Сонця, як це спостерігається у. GW190425. Для пояснення того, як ця система утворилася, вчені з Каліфорнійського університету припустили, що в описаних вище подвійних систем може бути й інший шлях еволюції.

Еволюція трьох різних подвійних систем. На пізніх стадіях формування подвійної системи, одна зоря з пари розшируюється, а відтак може відбутися: традиційний шлях еволюції із перетіканням речовини (б), запропонований вченими новий сценарій із падінням речовини назад (с), а також утворення чорної діри малої маси за сценарієм, аналогічним (б). Vigna-Gomez et al. 

Еволюція трьох різних подвійних систем. На пізніх стадіях формування подвійної системи, одна зоря з пари розшируюється, а відтак може відбутися: традиційний шлях еволюції із перетіканням речовини (б), запропонований вченими новий сценарій із падінням речовини назад (с), а також утворення чорної діри малої маси за сценарієм, аналогічним (б). Vigna-Gomez et al.

Як подвійні системи можуть зберегти свою масу?

Було змодельовано систему, яка складається із гелієвої зірки масою у 5,4 маси Сонця та нейтронної зірки масою у 1,3 маси Сонця, що обертається навколо неї на відстані у 1,4 сонячного радіуса. Моделювання показало, що в цьому випадку величезна маса зірки може запобігати розширенню її зовнішніх шарів і перетікання маси на нейтронну зірку з оголенням гелієвих шарів не відбувається.

Внаслідок цього нейтронна зірка-супутник залишається «тихою» протягом усього часу, поки головна зірка «доживає» свій час. Коли ж у гелієвої зірки утворюється залізне ядро й вона спалахує як наднова, то далеко не всі зовнішні оболонки відлітають у космос. Маса оболонок виявляється занадто великою для цього. Приблизно за декілька десятків секунд після вибуху кількість газу, маса якої дорівнює 0,8 маси Сонця падає назад на новоутворену нейтронну зірку, маса якої ще до цього падіння становить близько 1,3 маси Сонця. При цьому другій нейтронній зірці дістається лише невелика частина скинутої у космос маси.

Так утворюються тісні подвійні системи нейтронних зірок, одна із яких масивніша за іншу. З часом такі пари нейтронних зір зливаються, викликаючи народження гравітаційних хвиль. На думку авторів, система GW170817 утворилася свого часу за традиційним механізмом із перетіканням зовнішніх шарів зірки на нейтронну зірку-компаньйона, а от GW190425 свого часу еволюціонувала за другим сценарієм.

До чого тут чорні діри?

Цей же механізм здатний пояснити і злиття чорних дір із нейтронними зорями. У 2020 році LIGO зафіксувала нові гравітаційні хвилі, які отримали назву GW200115. Дані свідчили про те, що утворилися вони внаслідок зіткнення чорної діри масою 5,7 маси Сонця та нейтронної зірки масою у 1,5 маси Сонця. Цього разу проблема була оберненою попередній – чорна діра у цій парі мала аномально малу масу яка була дуже близькою до нижньої границі, яку взагалі можуть мати чорні діри, що утворюються внаслідок спалаху наднових. На думку дослідників, чим масивнішою є та зірка подвійної системи, що ще лишається зіркою, тим більша частка скинутої нею оболонки падає назад. Зрештою, сумарної маси залишку може виявитися достатньо для того, аби перетворитися на чорну діру.


Фото в анонсі: NASA