Neutron star-companion interaction in core collapse supernovae. Population synthesis based on detailed binary evolution models

Resumen Técnico: Interacción Estrella de Neutrones-Compañera en Supernovas de Colapso del Núcleo

Enunciado del Problema
Las observaciones recientes de supernovas de colapso del núcleo (CCSNe), particularmente el evento Tipo Ic SN2022jli, han revelado modulaciones periódicas en el flujo óptico, la velocidad de la línea H$\alpha$ y la emisión de rayos $\gamma$. Se hipotetiza que estas características surgen de la interacción entre un objeto compacto recién formado (estrella de neutrones, EN) y su compañera estelar no degenerada, tras la inflación de la compañera debido al impacto inicial de los ejecta de la supernova. Si bien se ha propuesto el mecanismo físico, denominado Interacción Objeto Compacto-Compañera (CCI), para explicar eventos específicos, la tasa de ocurrencia, el espacio de parámetros y la observabilidad general de tales fenómenos en la población más amplia de CCSNe permanecen sin restricciones. Las detecciones directas de compañeras supervivientes son raras, lo que hace necesaria un enfoque estadístico para predecir la frecuencia y las propiedades de estos sistemas interactuantes.

Metodología
Los autores emplean el código de síntesis de poblaciones SN-ORACLE, construido sobre una rejilla comprehensiva de modelos detallados de evolución estelar binaria generados con MESA a metalicidad galáctica. El estudio integra tres prescripciones físicas específicas para modelar la evolución post-explosión:

1. Impulsos Natales: El código asigna impulsos natales a las EN recién nacidas utilizando tres distribuciones de probabilidad distintas (DM25, K18 y V25) para tener en cuenta las incertidumbres en las magnitudes y direcciones de los impulsos, incluyendo escenarios isotrópicos y alineados con el polo.
2. Interacción Ejecta-Compañera (ECI): Mediante prescripciones analíticas derivadas de simulaciones hidrodinámicas (Ogata et al. 2021; Hirai et al. 2018), el modelo calcula la fracción de la energía cinética de la supernova interceptada por la compañera. Esta energía impulsa una expansión radial de la envoltura de la compañera hasta un radio máximo ($R_{max}$) y una luminosidad ($L_{max}$), durando un tiempo $\tau_{infl}$.
3. Interacción Objeto Compacto-Compañera (CCI): El modelo determina si la EN recién formada penetra en la envoltura inflada por el choque de la compañera. La CCI se define como ocurriendo cuando la distancia de periastron post-supernova ($r_{peri}$) satisface $R_{2} < r_{peri} \leq R_{max}$, donde $R_2$ es el radio pre-explosión. El número de interacciones ($N_{inter}$) se calcula basándose en el período orbital y la escala de tiempo de inflación.

El estudio explora una rejilla de modelos de población que varía las prescripciones de impulsos natales, los criterios de explosabilidad (determinando la formación de EN frente a Agujeros Negros) y los criterios de fusión durante el desbordamiento del lóbulo de Roche (RLOF).

Contribuciones y Resultados Clave

• Tasas de Ocurrencia: El estudio predice que la CCI periódica es un fenómeno significativo en supernovas pobres en hidrógeno (H-poor) (Tipos Ibc e Ibn). En el modelo de referencia, aproximadamente el 15.6% de todas las supernovas pobres en hidrógeno exhiben CCI periódica ($N_{inter} \geq 2$). Esta tasa es altamente sensible a las suposiciones del modelo, oscilando entre el 3% y el 27% en diferentes modelos de población dependiendo de las distribuciones de impulsos y los criterios de fusión. Por el contrario, la CCI es extremadamente rara ($\sim 0.01\%$) en supernovas ricas en hidrógeno debido a la disrupción de binarias amplias que contienen compañeras no degeneradas.
• Propiedades Orbitales y Temporales: Los sistemas que experimentan CCI periódica poseen típicamente períodos orbitales post-explosión ($P_{post-SN}$) que alcanzan su máximo entre 20 y 50 días, con un rango amplio de 9.8–226 días. Las excentricidades orbitales ($e_{post-SN}$) generalmente alcanzan su máximo alrededor de 0.4, aunque existe una dicotomía donde los sistemas de baja excentricidad surgen principalmente de progenitores que experimentan RLOF del Caso BB. La duración de la interacción ($\tau_{infl}$) abarca 0.5 a 10 años, con el número de ondulaciones ($N_{inter}$) variando desde eventos únicos hasta más de 50 ciclos.
• Características de la Compañera: La inflación inducida por la ECI aumenta las luminosidades de las compañeras por factores de 3 a 100, alcanzando $L_{max} \approx (2.4 - 29.5) \times 10^{38}$ erg s$^{-1}$ ($\log L/L_{\odot} \approx 4.8 - 5.9$). Aproximadamente el 7% de las supernovas pobres en hidrógeno con CCI periódica dejan tras de sí compañeras que superan el límite de Humphreys & Davidson, apareciendo como Variables Azules Luminosas (LBV) durante breves duraciones. Las masas de las compañeras oscilan típicamente entre 5 y 30 $M_{\odot}$.
• Reproducción de Eventos Observados:
  • SN2022jli: Los modelos reproducen con éxito el período de modulación de 12.4 días. Los modelos de mejor ajuste predicen una magnitud en banda J de la compañera de 21–23 durante hasta $\sim 10$ años, lo que sugiere que la compañera debería ser detectable con instrumentos actuales como VLT/HAWK-I.
  • SN2015ap: Los modelos identifican $\sim 70$ trayectorias de evolución binaria consistentes con el período observado de 8.4 días y la clasificación Tipo Ib.
  • SN2022esa: Los modelos producen sistemas consistentes con el período de $\sim 29-35$ días, aunque la falta de variabilidad en H$\alpha$ sugiere que podrían estar en juego fuentes de energía alternativas.

Significado y Conclusiones
El artículo establece que la CCI periódica es una característica teóricamente robusta y potencialmente común de las supernovas de colapso del núcleo pobres en hidrógeno, ocurriendo en hasta una cuarta parte de tales eventos bajo ciertas suposiciones evolutivas. Los autores concluyen que la escasez de candidatos identificados de CCI periódica en catálogos actuales probablemente refleja limitaciones observacionales en lugar de una rareza física.

El estudio proporciona predicciones específicas sobre la observabilidad post-explosión de las compañeras supervivientes, señalando que la inflación por ECI aumenta significativamente su brillo, haciéndolas detectables durante años después de la explosión. Los autores sugieren que es necesario un reanálisis sistemático de las curvas de luz de supernovas de archivo, combinado con estudios de dominio temporal de alta cadencia (por ejemplo, ZTF, LSST), para descubrir la población predicha de eventos de CCI periódica. Estos hallazgos ofrecen una vía para restringir los parámetros de evolución binaria, las distribuciones de impulsos natales y la física de las explosiones de supernovas mediante el análisis estadístico de las ondulaciones en las curvas de luz.