Formation of neutron stars via accretion-induced collapse and core-merger-induced collapse inside planetary nebulae from white dwarf binaries

Technische Samenvatting: Vorming van Neutronensterren via AIC en CMIC binnen Planetaire Nebula's

Probleemstelling
Hoewel de vorming van neutronensterren (NS's) via accretie-geïnduceerde ineenstorting (AIC) en samensmelting-geïnduceerde ineenstorting (MIC) een bekende theoretische weg is, is het specifieke scenario waarbij deze gebeurtenissen binnen planetaire nebula's (PNe) plaatsvinden, in eerdere literatuur niet serieus overwogen. Bestaande studies hebben de vorming van NS's na PNe of ineenstortende supernova's binnen PNe onder specifieke omstandigheden met een derde lichaam behandeld, maar de directe vorming van een NS binnen een PN via binair-evolutiekanalen die witte dwergen (WD's) en reuzensterren betreffen, blijft onverkend. Dit artikel adresseert het gat in het begrip of zuurstof-neon-magnesium (ONeMg) WD-binairsystemen kunnen evolueren tot NS's terwijl ze nog steeds ingebed zijn in de nebulaire structuren van hun progenitorsystemen.

Methodologie
De studie hanteert twee verschillende computationele benaderingen om twee voorgestelde evolutionaire kanalen te modelleren:

1. Stellair-evolutiesimulaties (MESA):

   • Code: De Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA) code (versie 15140) wordt gebruikt om 1D-binaire evolutie te simuleren.
   • Systeem: Een binair systeem bestaande uit een niet-magnetische ONeMg WD van 1,2 $M_\odot$ en een rode reus (RG) van 1,5 $M_\odot$ met een initiële omloopperiode van 120 dagen.
   • Fysica: De simulatie omvat massatransfer via Roche-lobe-overloop (RLOF) volgens de voorschriften van Kolb & Ritter (1990), sterwinden (Reimers voor RGB, Blocker voor AGB) en de evolutie van impulsmoment.
   • Accretiefysica: De efficiëntie van massa-retentie wordt berekend op basis van voorschriften voor stabiele waterstof- en heliumverbranding (Hillman et al. 2015; Kato & Hachisu 2004). De massatoename van de WD wordt gevolgd totdat deze de Chandrasekhar-grens benadert.

2. Binaire populatiesynthese (BPS):

   • Code: Een bijgewerkte versie van de BSE (Binary Star Evolution) code wordt gebruikt om $10^7$ primaire binaire systemen te simuleren.
   • Initiële Voorwaarden: De primaire massa's volgen de initiële massafunctie van Kroupa et al. (1993); massaverhoudingen volgen een vlakke verdeling; initiële scheidingen volgen een machtsverdelingswet; de metaliciteit is vastgesteld op $Z=0,02$.
   • Fysica: Het model omvat massatransfer, sterwinden, getijdeninteracties, gemeenschappelijke omhulsel (CE) evolutie (met gebruikmaking van de $\alpha$-formalisme met $\alpha_{CE}=1,0$ en $\lambda=0,5$) en supernova-kicks.
   • Focus: De simulatie volgt specifiek ONeMg WD-binairsystemen waarbij de WD samensmelt met de kern van een reuzenpartner tijdens de CE-fase, mits de totale kernmassa de Chandrasekhar-grens ($1,44 M_\odot$) overschrijdt.

Belangrijkste Bijdragen en Voorgestelde Kanalen
Het artikel stelt twee nieuwe evolutionaire paden voor de vorming van NS's binnen PNe voor:

1. Symbiotische Nebula-kanaal (AIC):

   • Mechanisme: In een WD-RG (of WD-AGB) binair systeem verliest de reuzenpartner massa via sterwinden en/of stabiele RLOF. Deze massa vormt een nevel die het binaire systeem omringt. De centrale accreterende ONeMg WD groeit in massa via stabiele accretie totdat deze de Chandrasekhar-grens bereikt en een AIC ondergaat.
   • Ionisatie van de Nebula: De resulterende nevel (een "symbiotische nevel" genoemd) wordt geïoniseerd door de hete kern van de reuzenster of de accreterende WD zelf.
   • Uitkomst: De vorming van een NS die waarschijnlijk zijn WD-partner behoudt, waardoor een NS-WD binair systeem ontstaat.

2. Kern-samensmelting-geïnduceerde Ineenstorting (CMIC) Kanaal:

   • Mechanisme: Tijdens de fase van instabiele massatransfer van een ONeMg WD binair systeem, komt het systeem een Gemeenschappelijk Omhulsel (CE) fase binnen. De WD spiraalt naar binnen en smelt samen met de hete kern van de reuzenpartner.
   • Ineenstortingsvoorwaarde: Als de gecombineerde massa van de WD en de kern van de reus de Chandrasekhar-grens overschrijdt, triggert de samensmelting een ineenstorting (CMIC) in plaats van een Type Ia-supernova.
   • Uitkomst: De vorming van een pasgeboren NS (mogelijk een pulsar) ingebed in het uitdijende CE-materiaal, wat zich kan manifesteren als een planetaire nevel of een pulsar-windnevel.

Resultaten

• MESA Simulatie Resultaten:

  • De simulatie toont aan dat een ONeMg WD voldoende massa kan accretteren van een RG-partner om de Chandrasekhar-grens te bereiken.
  • Tijdens de evolutie verliest de RG ongeveer $0,4 M_\odot$, waarvan ongeveer de helft wordt geaccretteerd door de WD en de rest wordt uitgeworpen om een omringende nevel te vormen.
  • De kernmassa van de reuzenpartner blijft voldoende massief ($>0,3 M_\odot$) om effectieve temperaturen te bereiken die de nevel kunnen ioniseren, zelfs na het afschrapen van het omhulsel.
  • De studie merkt op dat eerdere vergelijkbare simulaties (bijvoorbeeld Ablimit 2023) de resulterende PNe niet bespraken; dit werk koppelt het massaverlies expliciet aan de vorming van een nevel.
  • In gevallen waarbij sterk gemagnetiseerde WD's betrokken zijn, zou de uitgeworpen massa aanzienlijk hoger kunnen zijn, wat potentieel bipolaire nevels kan vormen via het lanceren van jets.

• BPS Simulatie Resultaten:

  • De vormingssnelheid in de Melkweg voor NS's die via CMIC binnen PNe worden gevormd, wordt geschat op $\sim 3,6 \times 10^{-4} \text{ jaar}^{-1}$ (onder de aanname van een sterrenvormingssnelheid van $2 M_\odot \text{ jaar}^{-1}$).
  • De verdelingen van CE-massa en totale kernmassa voor systemen die leiden tot CMIC tonen een breed scala dat geschikt is voor de vorming van zowel nevels als NS's.
  • De hete WD en reuzenkernen tijdens het spiraalproces kunnen temperaturen bereiken ($\sim 30.000$ K) die voldoende zijn om de CE te ioniseren, terwijl de pasgeboren NS de nevel verder kan voeden via een pulsar-wind.

Betekenis en Beweringen
Het artikel beweert de eerste te zijn die serieus de vorming van neutronensterren binnen planetaire nebula's via binaire evolutie overweegt en modelleert.

• Nieuwheid: Het introduceert het concept van "symbiotische nevels" gevormd door WD-RG massatransfer die leidt tot AIC, en breidt de definitie van CMIC uit tot het omvatten van samensmeltingen binnen het CE van WD-binairsystemen die resulteren in NS's binnen PNe.
• Populatie: De auteur suggereert dat de Melkweg tientallen NS-WD binairsystemen kan herbergen die zijn gevormd via het beschreven AIC-kanaal.
• Observatievooruitzichten: Het artikel stelt dat volgende generatie grond- en ruimtetelescopen binnenkort overtuigend bewijs voor deze scenario's kunnen leveren, met name door waarnemingen van pulsar-windnevels die zich binnen uitdijende planetaire nevels bevinden.
• Theoretische Impact: Deze bevindingen bieden nieuwe inzichten in zeldzame fenomenen zoals WD-ineenstortingen en explosies die plaatsvinden binnen de specifieke omgeving van planetaire nevels, en verfijnen ons begrip van binaire stellair-evolutie.