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Un nuevo estudio que muestra cómo la explosión de una estrella masiva despojada en una supernova puede conducir a la formación de una estrella de neutrones pesada o un agujero negro ligero resuelve uno de los rompecabezas más desafiantes que han surgido de la detección de fusiones de estrellas de neutrones por los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo.
La primera detección de ondas gravitacionales realizada por el Observatorio Avanzado de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) en 2017 fue una fusión de estrellas de neutrones que se ajustaba en su mayor parte a las expectativas de los astrofísicos. Pero la segunda detección, en 2019, fue una fusión de dos estrellas de neutrones cuya masa combinada era inesperadamente grande.
"Fue tan impactante que tuvimos que empezar a pensar en cómo crear una estrella de neutrones pesada sin convertirla en un púlsar", dijo Enrico Ramírez-Ruiz, profesor de astronomía y astrofísica en la UC Santa Cruz.
Los objetos astrofísicos compactos, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros, son difíciles de estudiar porque, cuando son estables, tienden a ser invisibles y no emiten radiación detectable. "Eso significa que estamos sesgados en lo que podemos observar", explicó Ramírez-Ruiz. "Hemos detectado estrellas de neutrones binarias en nuestra galaxia cuando una de ellas es un púlsar, y las masas de esos púlsares son casi todas idénticas: no vemos ninguna estrella de neutrones pesada".
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| En las últimas etapas de la formación de una estrella de neutrones binaria, la estrella gigante se expande y envuelve a la estrella de neutrones compañera en una etapa denominada evolución de envoltura común (a). La expulsión de la envoltura deja a la estrella de neutrones en una órbita cercana con una estrella de envoltura despojada. La evolución del sistema depende de la relación de masas. Las estrellas despojadas menos masivas experimentan una fase adicional de transferencia de masa que despoja aún más a la estrella y recicla al púlsar compañero, dando lugar a sistemas como las estrellas de neutrones binarias observadas en la Vía Láctea y GW170817 (b). Las estrellas despojadas más masivas no se expanden tanto, por lo que evitan el despojo y el reciclaje de la compañera, dando lugar a sistemas como GW190425 (c). Por último, las estrellas despojadas aún más masivas darán lugar a sistemas binarios agujero negro-estrella de neutrones como GW200115 (d). Crédito:Vigna-Gomez et al. |
La detección por parte de LIGO de una fusión de estrellas de neutrones pesadas a un ritmo similar al de las binarias más ligeras implica que las parejas de estrellas de neutrones pesadas deberían ser relativamente comunes. Entonces, ¿por qué no aparecen en la población de púlsares?
En el nuevo estudio, Ramírez-Ruiz y sus colegas se centraron en las supernovas de estrellas despojadas en sistemas binarios que pueden formar "objetos dobles compactos", compuestos por dos estrellas de neutrones o por una estrella de neutrones y un agujero negro. Una estrella despojada, también llamada estrella de helio, es una estrella a la que se le ha retirado su envoltura de hidrógeno por sus interacciones con una estrella compañera.
El estudio, publicado el 8 de octubre en Astrophysical Journal Letters, ha sido dirigido por Alejandro Vigna-Gómez, astrofísico del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, donde Ramírez-Ruiz es titular de una cátedra Niels Bohr.
"Utilizamos modelos estelares detallados para seguir la evolución de una estrella despojada hasta el momento en que explota en una supernova", dijo Vigna-Gómez. "Una vez que llegamos al momento de la supernova, hacemos un estudio hidrodinámico, en el que nos interesa seguir la evolución del gas que explota".
La estrella despojada, en un sistema binario con una estrella de neutrones compañera, comienza siendo diez veces más masiva que nuestro sol, pero tan densa que es más pequeña que el sol en diámetro. La etapa final de su evolución es una supernova de colapso del núcleo, que deja tras de sí una estrella de neutrones o un agujero negro, dependiendo de la masa final del núcleo.
Los resultados del equipo mostraron que cuando la estrella masiva despojada explota, algunas de sus capas exteriores son expulsadas rápidamente del sistema binario. Sin embargo, algunas de las capas interiores no son expulsadas y acaban cayendo sobre el objeto compacto recién formado.
"La cantidad de material que se acumula depende de la energía de la explosión: cuanto mayor sea la energía, menos masa se puede conservar", explica Vigna-Gómez. "Para nuestra estrella despojada de diez masas solares, si la energía de la explosión es baja, formará un agujero negro; si la energía es grande, conservará menos masa y formará una estrella de neutrones".
Estos resultados no solo explican la formación de sistemas binarios de estrellas de neutrones pesadas, como el revelado por el evento de ondas gravitacionales GW190425, sino que también predicen la formación de binarias de estrellas de neutrones y agujeros negros ligeros, como la que se fusionó en el evento de ondas gravitacionales GW200115 de 2020.
Otro hallazgo importante es que la masa del núcleo de helio de la estrella despojada es esencial para determinar la naturaleza de sus interacciones con su compañera estrella de neutrones y el destino final del sistema binario. Una estrella de helio suficientemente masiva puede evitar la transferencia de masa a la estrella de neutrones. Sin embargo, con una estrella de helio menos masiva, el proceso de transferencia de masa puede transformar la estrella de neutrones en un púlsar que gira rápidamente.
"Cuando el núcleo de helio es pequeño, se expande, y entonces la transferencia de masa hace girar la estrella de neutrones para crear un púlsar", explicó Ramírez-Ruiz. "Los núcleos masivos de helio, sin embargo, están más ligados gravitatoriamente y no se expanden, por lo que no hay transferencia de masa. Y si no giran en un púlsar, no los vemos".
En otras palabras, es muy posible que haya una gran población no detectada de estrellas binarias de neutrones pesadas en nuestra galaxia.
"La transferencia de masa a una estrella de neutrones es un mecanismo eficaz para crear púlsares de giro rápido (de milisegundos)", dijo Vigna-Gómez. "Evitar este episodio de transferencia de masa, como sugerimos, insinúa que existe una población radio-silenciosa de tales sistemas en la Vía Láctea".
Fuentes, créditos y referencias:
Enrico Ramirez-Ruiz et al, Fallback supernova assembly of heavy binary neutron stars and light black hole-neutron star pairs and the common stellar ancestry of GW190425 and GW200115, Astrophysical Journal Letters (2021). DOI: 10.3847/2041-8213/ac2903
Imagen: Una nueva investigación realizada con datos del Very Large Telescope de ESO ha revelado que las estrellas más calientes y brillantes, conocidas como estrellas O, se encuentran a menudo en parejas cercanas. Muchas de estas binarias transfieren masa de una estrella a otra, una especie de vampirismo estelar representado en esta impresión artística.
Crédito: ESO/M. Kornmesser/S.E. de Mink