Effect of Neutron Star Jets on Common Envelope Evolution

Résumé Technique : Effet des jets de étoiles à neutrons sur l'évolution de l'enveloppe commune

Énoncé du Problème
La phase d'enveloppe commune (CE) est une étape critique mais mal comprise de l'évolution des étoiles binaires, où un compagnon compact s'enroule à l'intérieur de l'enveloppe d'une étoile géante. Une question de longue date concerne l'étendue des sources d'énergie autres que l'énergie orbitale — spécifiquement, l'énergie libérée par l'accrétion sur le compagnon — pour aider à délier l'enveloppe. Alors que les simulations précédentes indiquaient que les jets provenant de compagnons de la séquence principale (MS) ou de naines blanches (WD) sont « étouffés » au sein de l'enveloppe, déposant de l'énergie sans modifier significativement la morphologie, le comportement des jets hautement super-Eddington provenant de compagnons d'étoiles à neutrons (NS) reste inexploré. De tels jets de NS pourraient théoriquement posséder des puissances ordres de grandeur supérieures à celles des jets de WD ou de MS, et potentiellement dominer la dynamique de la CE. Cette étude examine si ces jets de NS extrêmement puissants peuvent effectivement délier l'enveloppe ou s'ils sont soumis à des mécanismes de rétroaction auto-limitants.

Méthodologie
Les auteurs ont employé des simulations hydrodynamiques globales en 3D utilisant le code de raffinement de maillage adaptatif (AMR) AstroBear. Le système a modélisé une étoile de la branche des géantes rouges (RGB) de 2,0 $M_\odot$ avec un cœur de 0,37 $M_\odot$ et un compagnon NS de type particule ponctuelle de 1,0 $M_\odot$ en orbite circulaire juste à l'extérieur de la surface de la RGB.

• Prescription du Jet : Les jets ont été lancés depuis le compagnon NS en utilisant un modèle de sous-grille. Contra% aux études précédentes où la puissance du jet était limitée aux taux d'Eddington, ce travail a supposé des taux de perte de masse ($\dot{M}_j$) dépassant la limite d'Eddington de plusieurs ordres de grandeur (jusqu'à $\sim 6 \times 10^4 \dot{M}_{Edd}$) et des vitesses de $v_j \approx 0,1c$.
• Simulations : Plusieurs tests ont été menés pour tester divers paramètres, incluant les taux de perte de masse des jets, les temps de déclenchement des jets (13,8 j contre 19,9 j), la présence ou l'absence d'accrétion de sous-grille, et la résolution numérique.
• Analyse : L'étude a suivi le déliement du gaz de l'enveloppe sur la base d'un critère d'énergie spécifique (incluant les potentiels thermique, d'auto-gravité et d'interaction particule-gaz). Des particules traceuses ont été utilisées pour distinguer le matériau du jet du gaz ambiant et de l'enveloppe.

Résultats Clés

1. Percée du Jet (Breakout) : Contrairement aux jets de MS et de WD qui restent étouffés, les jets de NS de haute puissance ont réussi à percer l'enveloppe et ont commencé à s'en extraire vers la fin des simulations de 40 jours. Cela a produit des lobes bipolaires de faible densité très marqués.
2. Déliement de l'Enveloppe : Les jets ont délié environ deux fois plus de masse d'enveloppe que les simulations de même durée sans jets. La masse déliée par les jets était comparable à la masse déliée par le seul transfert d'énergie orbitale.
3. Efficacité Décroissante (Rétroaction Négative) : Le taux de déliement de la masse a diminué de manière significative au fil du temps. À mesure que les jets perçaient l'enveloppe et se découplaient énergétiquement de celle-ci, leur interaction avec le gaz restant lié s'est affaiblie. Les auteurs estiment qu'après la percée, le taux de déliement tendrait vers une asymptote de valeur plus faible, rendant potentiellement les jets subdominants par rapport au transfert d'énergie orbitale sur l'ensemble de la durée de la CE.
4. Réduction de la Traînée Orbitale : L'activité des jets a réduit la densité de matière à proximité du compagnon, diminuant ainsi la traînée gravitationnelle. Cela a conduit à un taux légèrement réduit de transfert d'énergie orbitale vers l'enveloppe, agissant comme un mécanisme de rétroaction négative secondaire qui contrecarre l'effet de déliement direct des jets.
5. Effets d'Accrétion : Bien que l'accrétion sur le compagnon ait été super-Eddington, sa contribution directe au déliement a été jugée subdominante par rapport aux effets des jets. De plus, la rétroaction des jets a abaissé la densité locale, réduisant le taux d'accrétion au fil du temps.
6. Morphologie et Asymétrie : Les simulations ont révélé que les jets pouvaient être intermittents et asymétriques, de petites perturbations entraînant de grandes variations structurelles. Cependant, ils formaient généralement des écoulements bipolaires continus qui s'éloignaient de l'axe du jet.

Signification et Conclusions
L'article conclut que bien que les jets de NS extrêmement puissants puissent jouer un rôle significatif dans le déliement de l'enveloppe, ils sont peu susceptibles de dominer entièrement l'issue de la CE. L'étude démontre un mécanisme d'autorégulation : la puissance même requise pour que les jets délient l'enveloppe leur permet de percer l'enveloppe, ce qui, en retour, réduit leur efficacité de couplage avec le gaz de l'enveloppe restant. De plus, la réduction de la traînée orbitale causée par le dégagement des jets limite davantage l'énergie totale disponible pour le déliement.

Les auteurs affirment que les estimations analytiques simples négligeant la percée des jets surestiment probablement le rôle de tels jets. Bien que les jets contribuent de manière significative durant la phase de percée, leur efficacité à long terme est limitée par leur propre succès à pénétrer l'enveloppe. Le travail suggère que pour les compagnons de type NS, l'issue de la CE est probablement déterminée par un équilibre entre le transfert d'énergie orbitale et le déliement par jet, ce dernier étant sujet à des rendements décroissants à mesure que le système évolue. Des travaux futurs sont notés comme nécessaires pour explorer des échelles de temps plus longues, la précession des jets et des scénarios impliquant des étoiles évoluées de plus grande masse.