En ny studie som visar hur explosionen av en avskalad massiv stjärna i en supernova kan leda till bildandet av en tung neutronstjärna eller ett lätt svart hål löser ett av de mest utmanande pusslen som uppstår vid upptäckten av neutronstjärnans sammanslagningar av gravitationsvågen observatorier LIGO och Jungfrun.

Den första upptäckten av gravitationsvågor av Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) 2017 var en neutronstjärnesfusion som mestadels överensstämde med astrofysikers förväntningar. Men den andra upptäckten, under 2019, var en sammanslagning av två neutronstjärnor vars sammanlagda massa var oväntat stor.

"Det var så chockerande att vi var tvungna att börja fundera på hur man skapar en tung neutronstjärna utan att göra den till en pulsar, sa Enrico Ramirez-Ruiz, professor i astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz.

Kompakta astrofysiska objekt som neutronstjärnor och svarta hål är utmanande att studera eftersom de när de är stabila tenderar att vara osynliga, avger ingen detekterbar strålning. "Det betyder att vi är partiska i vad vi kan observera, ", förklarade Ramirez-Ruiz. "Vi har upptäckt neutronstjärnans binärer i vår galax när en av dem är en pulsar, och massorna av dessa pulsarer är nästan alla identiska – vi ser inga tunga neutronstjärnor."

LIGO:s upptäckt av en sammanslagning av tunga neutronstjärnor i en takt som liknar det lättare binära systemet innebär att par av tunga neutronstjärnor borde vara relativt vanliga. Så varför dyker de inte upp i pulsarpopulationen?

I den nya studien, Ramirez-Ruiz och hans kollegor fokuserade på supernovorna av strippade stjärnor i binära system som kan bilda "dubbla kompakta objekt" bestående av antingen två neutronstjärnor eller en neutronstjärna och ett svart hål. En avskalad stjärna, även kallad heliumstjärna, är en stjärna som har fått sitt vätehölje borttaget genom sin växelverkan med en medföljande stjärna.

Studien, publicerad 8 oktober in Astrofysiska tidskriftsbrev , leddes av Alejandro Vigna-Gomez, en astrofysiker vid Köpenhamns universitets Niels Bohr Institute, där Ramirez-Ruiz innehar en Niels Bohr-professur.

"Vi använde detaljerade stjärnmodeller för att följa utvecklingen av en avskalad stjärna tills den exploderar i en supernova, ", sa Vigna-Gomez. "När vi väl når supernovans tid, vi gör en hydrodynamisk studie, där vi är intresserade av att följa utvecklingen av den exploderande gasen."

Den avskalade stjärnan, i ett binärt system med en neutronstjärnas följeslagare, börjar tio gånger mer massiv än vår sol, men så tät att den är mindre än solen i diameter. Det sista steget i dess utveckling är en kärnkollaps supernova, som lämnar efter sig antingen en neutronstjärna eller ett svart hål, beroende på kärnans slutliga massa.

Teamets resultat visade att när den massiva avskalade stjärnan exploderar, några av dess yttre skikt kastas snabbt ut från det binära systemet. Några av de inre lagren, dock, skjuts inte ut och faller så småningom tillbaka på det nybildade kompakta föremålet.

"Mängden material som samlas beror på explosionsenergin - ju högre energi, desto mindre massa kan du behålla, ", sa Vigna-Gomez. "För vår tio-solmassa avskalade stjärna, om explosionsenergin är låg, det kommer att bilda ett svart hål; om energin är stor, den kommer att hålla mindre massa och bilda en neutronstjärna."

Dessa resultat förklarar inte bara bildandet av tunga neutronstjärnes binära system, som den som avslöjades av gravitationsvåghändelsen GW190425, men också förutsäga bildandet av binärer av neutronstjärnor och ljusa svarta hål, som den som slogs samman i 2020 års gravitationsvåghändelse GW200115.

Ett annat viktigt fynd är att massan av heliumkärnan i den avskalade stjärnan är avgörande för att bestämma arten av dess interaktioner med dess neutronstjärnas följeslagare och det slutliga ödet för det binära systemet. En tillräckligt massiv heliumstjärna kan undvika att överföra massa till neutronstjärnan. Med en mindre massiv heliumstjärna, dock, massöverföringsprocessen kan omvandla neutronstjärnan till en snabbt snurrande pulsar.

"När heliumkärnan är liten, det expanderar, och sedan roterar massöverföring upp neutronstjärnan för att skapa en pulsar, ", förklarade Ramirez-Ruiz. "Massiva heliumkärnor, dock, är mer gravitationsbundna och expanderar inte, så det finns ingen massöverföring. Och om de inte snurrar upp till en pulsar, vi ser dem inte."

Med andra ord, det kan mycket väl finnas en stor oupptäckt population av tunga binärer av neutronstjärnor i vår galax.

"Att överföra massa till en neutronstjärna är en effektiv mekanism för att skapa snabbt snurrande (millisekunder) pulsarer, "Vigna-Gomez sa. "Att undvika denna massöverföringsepisod som vi föreslår antyder att det finns en radiotyst population av sådana system i Vintergatan."