Effect of Neutron Star Jets on Common Envelope Evolution

Resumen Técnico: Efecto de los Chorros de Estrellas de Neutrones en la Evolución de la Envoltura Común

Planteamiento del Problema
La fase de envoltura común (CE, por sus siglas en inglés) es una etapa crítica pero poco comprendida en la evolución de sistemas binarios de estrellas, donde una compañera compacta se espirala dentro de la envoltura de una estrella gigante. Una cuestión de larga data es hasta qué punto otras fuentes de energía además de la energía orbital —específicamente, la energía liberada por la acreción sobre la compañera— ayudan a desvincular la envoltura. Si bien simulaciones previas indicaron que los chorros (jets) de compañeras de la secuencia principal (MS) o de enanas blancas (WD) quedan "atascados" (choked) dentro de la envoltura, depositando energía sin alterar significativamente la morfología, el comportamiento de los potentes chorros super-Eddington de compañeras de estrellas de neutrones (NS) permanece inexplorado. Tales chorros de NS podrían teóricamente poseer potencias órdenes de magnitud superiores a los de las WD o MS, lo que potencialmente dominaría la dinámica de la CE. Este estudio investiga si estos potentes chorros de NS pueden desvincular eficazmente la envoltura o si están sujetos a mecanismos de retroalimentación autolimitantes.

Metodología
Los autores emplearon simulaciones hidrodinámicas globales en 3D utilizando el código de refinamiento de malla adaptativa (AMR) AstroBear. El sistema modeló una estrella de la rama de la gigante roja (RGB) de 2.0 $M_\odot$ con un núcleo de 0.37 $M_\odot$ y una compañera de NS de punto material de 1.0 $M_\odot$ en una órbita circular justo fuera de la superficie de la RGB.

• Prescripción de los Chorros: Los chorros fueron lanzados desde la compañera de NS utilizando un modelo de subrejilla. A diferencia de estudios previos donde la potencia del chorro se limitaba a las tasas de Eddington, este trabajo asumió tasas de pérdida de masa ($\dot{M}_j$) que exceden el límite de Eddington por varios órdenes de magnitud (hasta $\sim 6 \times 10^4 \dot{M}_{Edd}$) y velocidades de $v_j \approx 0.1c$.
• Ejecuciones de Simulación: Se realizaron múltiples ejecuciones para probar diversos parámetros, incluyendo las tasas de pérdida de masa de los chorros, los tiempos de inicio de los mismos (13.8 d vs. 19.9 d), la presencia o ausencia de acreción de subrejilla y la resolución numérica.
• Análisis: El estudio rastreó la desvinculación del gas de la envoltura basándose en un criterio de energía específica (incluyendo potenciales térmicos, de autogravedad e interacción partícula-gas). Se utilizaron partículas trazadoras para distinguir el material del chorro del gas ambiente y de la envoltura.

Resultos Clave

1. Escape de los Chorros (Jet Breakout): Contrario a los chorros de MS y WD que permanecen atascados, los potentes chorros de NS lograron perforar la envoltura y comenzaron a romper la superficie hacia el final de las simulaciones de 40 días. Esto produjo lóbulos bipolares prominentes de baja densidad.
2. Desvinculación de la Envoltura: Los chorros desvincularon aproximadamente el doble de masa de la envoltura en comparación con las simulaciones de la misma duración sin la presencia de chorros. La masa desvinculada por los chorros fue comparable a la masa desvinculada únicamente por la transferencia de energía orbital.
3. Disminución de la Eficiencia (Retroalimentación Negativa): La tasa de desvinculación de masa disminuyó significativamente con el tiempo. A medida que los chorros rompían la superficie y se desacoplaban energéticamente de la envoltura, su interacción con el gas restante se debilitaba. Los autores estiman que, tras el escape, la tasa de desvinculación asintotaría hacia un valor menor, lo que potencialmente haría que los chorros fueran subdominantes respecto a la transferencia de energía orbital durante todo el tiempo de la CE.
4. Reducción de la Resistencia Orbital: La actividad de los chorros redujo la densidad del material en las proximidades de la compañera, disminuyendo así la resistencia gravitacional. Esto condujo a una reducción en la tasa de transferencia de energía orbital a la envoltura, actuando como un mecanismo de retroalimentación negativa secundaria que contrarresta el efecto directo de desvinculación de los chorros.
5. Efectos de la Acreción: Aunque la acreción sobre la compañera fue super-Eddington, se encontró que su contribución directa a la desvinculación fue subdominante frente a los efectos de los chorros. Además, la retroalimentación de los chorros redujo la densidad local, disminuyendo la tasa de acreción con el tiempo.
6. Morfología y Asimetría: Las simulaciones revelaron que los chorros pueden ser intermitentes y asimétricos, donde pequeñas perturbaciones conducen a grandes variaciones estructurales. Sin embargo, generalmente formaron flujos bipolares continuos que se curvan alejándose del eje del chorro.

Significancia y Conclusiones
El artículo concluye que, si bien los chorros extremadamente potentes de NS pueden jugar un papel significativo en la desvinculación de la envoltura, es improbable que dominen la la totalidad del resultado de la CE. El estudio demuestra un mecanismo de autorregulación: la misma potencia requerida para que los chorros desvinculen la envoltura permite que estos rompan la superficie, lo que a su vez reduce su eficiencia de acoplamiento con el gas restante de la envoltura. Adicionalmente, la reducción de la resistencia orbital causada por la limpieza de los chorros limita aún más la energía total disponible para la desvinculación.

Los autores sostienen que las estimaciones analíticas simples que omiten el escape de los chorros probablemente sobreestiman el papel de estos. Aunque los chorros contribuyen significativamente durante la fase de ruptura, su eficacia a largo plazo se ve limitada por su propio éxito al penetrar la envoltura. El trabajo sugiere que, para las compañeras de NS, el resultado de la CE está probablemente determinado por un equilibrio entre la transferencia de energía orbital y la desvinculación por chorros, siendo esta última sujeta a rendimientos decrecientes conforme el sistema evoluciona. Se señala que es necesario realizar trabajos futuros para explorar escalas de tiempo más largas, la precesión de los chorros y escenarios que involucren estrellas evolucionadas de mayor masa.