High mass accretion rates onto evolved stripped-envelope massive stars by jet-induced mass removal

Titel: Hoge massa-accretie op geëvolueerde, gestripte massa-sterren door jet-gedreven massa-afvoer

1. Het Probleem

In de astrofysica vormt hoge-massa accretie op een niet-degenererende ster vaak een paradox. Wanneer een ster grote hoeveelheden massa accreteert, zet deze zich doorgaans uit. Deze expansie verlaagt de gravitationele potentiaalput van de ster, wat op zijn beurt de efficiëntie van de accretie en de kracht van eventuele uitgestoten jets vermindert. In extreme gevallen kan de ster zo sterk uitzetten dat de vorming van een accretieschijf wordt verhinderd, wat de accretieproces stopt.

Dit probleem is relevant voor het begrijpen van Intermediaire Luminositeit Optische Transienten (ILOTs), zoals heldere rode novae. Deze gebeurtenissen vereisen dat een ster met hoge snelheid massa accreteert en voldoende gravitationele energie vrijmaakt om de transient aan te drijven. Eerdere studies toonden aan dat jets de buitenste lagen van een ster kunnen verwijderen, maar dit werd voornamelijk onderzocht bij waterstofrijke hoofdreekssterren. Het effect op geëvolueerde, gestripte sterren (zoals Wolf-Rayet-sterren) was nog niet volledig gekwantificeerd.

2. Methodologie

De auteurs (Cohen, Bear en Soker) gebruikten de ster-evolutiecode MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics) in een één-dimensionale (1D) modus om dit proces te simuleren. Ze hanteerden een driestapsbenadering:

• Stap A1 (Evolutie): Een ster met een initiële massa van $20 M_\odot$ wordt geëvolueerd tot een rode superreus met een koolstof-kern.
• Stap A2 (Strippen): De waterstofrijke omhulling en een groot deel van de heliumomhulling worden handmatig verwijderd om een Wolf-Rayet (WR) ster te creëren. Dit simuleert een sterke binaire interactie (zoals een gemeenschappelijke omhulsel-fase). Het resultaat is een ster met een massa van $\approx 6.03 M_\odot$ en een straal van slechts $0.67 R_\odot$.
• Stap A3 (Accretie met Pulsen): Dit is de kern van de studie. De auteurs simuleren accretie via een schijf die jets lanceert. Omdat 1D-codes geen jets kunnen modelleren, gebruiken ze een "pulse-methode":
  • De accretieperiode wordt opgesplitst in honderden korte pulsen.
  • In de eerste helft van elke puls wordt massa toegevoegd aan de ster (via de evenaar).
  • In de tweede helft wordt een fractie ($\alpha$) van deze toegevoegde massa handmatig verwijderd uit de buitenste, hoog-entropische lagen van de ster.
  • Dit simuleert het effect van jets die warm gas van de buitenste omhulling verwijderen.

Ze varieerden de verhouding $\alpha = \dot{M}_{rm} / \dot{M}_{add}$ (de verhouding tussen verwijderde en toegevoegde massa) en de totale accretieperiode om de invloed op de sterstraling en expansie te testen.

3. Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Onderdrukking van Ster-expansie: De simulaties tonen aan dat het verwijderen van een aanzienlijk deel van de toegevoegde massa (bijvoorbeeld 60-90%) de expansie van de ster drastisch beperkt.
  • Zonder massa-afvoer (continue accretie) zet de ster uit tot $\approx 10 R_\odot$.
  • Met een hoge verwijderingsefficiëntie ($\alpha = 0.9$) blijft de straal beperkt tot slechts $\approx 2.76 R_\odot$ (een factor 2 tot 5 kleiner dan zonder jets).
• Behoud van de Potentiaalput: Door de straal klein te houden, behoudt de ster een diepe gravitationele potentiaalput. Dit is cruciaal omdat het vrijkomen van gravitationele energie per eenheid accreterende massa ($\dot{E} \propto M/R$) veel groter blijft.
• Energie-output: Voor een scenario met $\alpha = 0.9$ wordt de vrijgekomen accretie-energie geschat op ongeveer $6.6 \times 10^6 L_\odot$. Dit is tientallen keren hoger dan de intrinsieke straling van de ster zelf.
• Stabiliteit van de Accretieschijf: De auteurs tonen aan dat de uitdijende omhulling van de ster een lage dichtheid heeft, terwijl de accretieschijf dichterbij de ster een hoge dichtheid behoudt. Hierdoor kan de schijf blijven bestaan en jets lanceren, zelfs als de ster licht uitzet. De jets verwijderen het lage-dichtheidsgas van de buitenste lagen, wat een positieve feedbacklus creëert: minder expansie $\rightarrow$ diepere put $\rightarrow$ krachtigere jets $\rightarrow$ meer massa-afvoer.
• Isotoopverdeling: De simulaties tonen aan dat de accreterende waterstofrijke materie zich voegt bij de buitenste lagen, terwijl de kern (koolstof en zuurstof) intact blijft.

4. Betekenis en Conclusie

De studie versterkt het "jet-gedreven massa-afvoer accretiescenario" voor geëvolueerde sterren. De belangrijkste conclusies zijn:

1. Mogelijkheid voor ILOTs: Het is fysiek mogelijk dat een geëvolueerde, gestripte ster (zoals een WR-ster) hoge accretie-snelheden aankan zonder te exploderen of te sterk uit te zetten. Dit maakt ze tot kandidaten voor de centrale ster in heldere rode novae en andere ILOTs.
2. Mechanisme voor Transienten: Het vrijkomen van enorme hoeveelheden gravitationele energie, gedreven door het behoud van een kleine sterstraal dankzij jets, kan de waargenomen helderheid van deze transiënte gebeurtenissen verklaren. De botsing van de jets met omringend materiaal zet kinetische energie om in thermische energie en straling.
3. Unieke Voorspelling: Hoewel de meeste waargenomen ILOTs waarschijnlijk hoofdreekssterren betreffen, suggereert dit werk dat er een zeldzame subklasse van transiënten kan bestaan waarbij een gestripte kern de accreterende ster is. Dit zou leiden tot specifieke waarnemingskenmerken, zoals waterstofrijke jets (vanwege de accreterende materie) maar een ontbrekende waterstofomhulling in de kernster zelf.

Samenvattend biedt dit papier een theoretisch fundament voor hoe jets niet alleen massa kunnen verwijderen, maar ook de accretie zelf in stand kunnen houden door de ster compact te houden, wat essentieel is voor het verklaren van de energetiek van bepaalde kosmische uitbarstingen.