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

Resumo Técnico: Formação de Estrelas de Nêutrons via AIC e CMIC dentro de Nebulosas Planetárias

Declaração do Problema
Embora a formação de estrelas de nêutrons (ENs) via colapso induzido por acreção (AIC) e colapso induzido por fusão (MIC) seja um caminho teórico conhecido, o cenário específico desses eventos ocorrendo dentro de nebulosas planetárias (NPs) não foi seriamente considerado na literatura anterior. Estudos existentes abordaram a formação de ENs após NPs ou supernovas de colapso de núcleo dentro de NPs sob condições específicas de terceiro corpo, mas a formação direta de uma EN dentro de uma NP via canais de evolução binária envolvendo anãs brancas (ABs) e estrelas gigantes permanece inexplorada. Este artigo aborda a lacuna no entendimento de se binárias de anãs brancas de oxigênio-neônio-magnésio (ONeMg) podem evoluir para formar ENs enquanto ainda estão embutidas nas estruturas nebulares de seus sistemas progenitores.

Metodologia
O estudo emprega duas abordagens computacionais distintas para modelar dois canais evolutivos propostos:

1. Simulações de Evolução Estelar (MESA):

   • Código: O código Modules for Experiments in Stellar Astrophysics (MESA) (versão 15140) é utilizado para simular a evolução binária 1D.
   • Sistema: Um sistema binário consistindo de uma AB ONeMg não magnética de 1,2 $M_\odot$ e uma estrela Gigante Vermelha (GR) de 1,5 $M_\odot$, com um período orbital inicial de 120 dias.
   • Física: A simulação incorpora transferência de massa por overflow do lóbulo de Roche (RLOF) usando a prescrição de Kolb & Ritter (1990), ventos estelares (Reimers para RGB, Blocker para AGB) e evolução do momento angular.
   • Física de Acreção: A eficiência de retenção de massa é calculada com base em prescrições de queima estável de hidrogênio e hélio (Hillman et al. 2015; Kato & Hachisu 2004). O crescimento da massa da AB é rastreado até que ela se aproxime do limite de Chandrasekhar.

2. Síntese de População Binária (BPS):

   • Código: Uma versão atualizada do código BSE (Binary Star Evolution) é utilizada para simular $10^7$ binárias primordiais.
   • Condições Iniciais: As massas primárias seguem a função de massa inicial de Kroupa et al. (1993); as razões de massa seguem uma distribuição plana; as separações iniciais seguem uma distribuição de lei de potência; a metalicidade é fixada em $Z=0,02$.
   • Física: O modelo inclui transferência de massa, ventos estelares, interações de maré, evolução de envelope comum (EC) (usando o formalismo $\alpha$ com $\alpha_{CE}=1,0$ e $\lambda=0,5$) e impulsos de supernova.
   • Foco: A simulação rastreia especificamente binárias de AB ONeMg onde a AB funde-se com o núcleo de uma companheira gigante durante a fase de EC, desde que a massa total do núcleo exceda o limite de Chandrasekhar ($1,44 M_\odot$).

Principais Contribuições e Canais Propostos
O artigo propõe dois caminhos evolutivos inovadores para a formação de ENs dentro de NPs:

1. Canal de Nebulosa Simbótica (AIC):

   • Mecanismo: Em uma binária AB-GR (ou AB-AGB), a companheira gigante perde massa via ventos estelares e/ou RLOF estável. Essa massa forma uma nebulosa que envolve a binária. A AB central de ONeMg acreta cresce em massa via acreção estável até atingir o limite de Chandrasekhar e sofrer AIC.
   • Ionização da Nebulosa: A nebulosa resultante (denominada "nebulosa simbótica") é ionizada pelo núcleo quente da estrela gigante ou pela própria AB acreting.
   • Resultado: A formação de uma EN que provavelmente retém sua companheira AB, criando um sistema binário EN-AB.

2. Canal de Colapso Induzido por Fusão de Núcleo (CMIC):

   • Mecanismo: Durante a fase de transferência de massa instável de uma binária de AB ONeMg, o sistema entra em uma fase de Envelope Comum (EC). A AB espirala para dentro e funde-se com o núcleo quente da companheira gigante.
   • Condição de Colapso: Se a massa combinada da AB e do núcleo da gigante exceder o limite de Chandrasekhar, a fusão desencadeia um colapso (CMIC) em vez de uma supernova do Tipo Ia.
   • Resultado: A formação de uma EN recém-nascida (potencialmente um pulsar) embutida dentro do material de EC em expansão, que pode se manifestar como uma nebulosa planetária ou uma nebulosa de vento de pulsar.

Resultados

• Resultados da Simulação MESA:

  • A simulação demonstra que uma AB ONeMg pode acreter massa suficiente de uma companheira GR para atingir o limite de Chandrasekhar.
  • Durante a evolução, a GR perde aproximadamente $0,4 M_\odot$, com cerca de metade acrecida pela AB e o restante ejetado para formar uma nebulosa circundante.
  • A massa do núcleo da companheira gigante permanece suficientemente massiva ($>0,3 M_\odot$) para atingir temperaturas efetivas capazes de ionizar a nebulosa, mesmo após o stripping do envelope.
  • O estudo observa que simulações anteriores semelhantes (por exemplo, Ablimit 2023) não discutiram as NPs resultantes; este trabalho liga explicitamente a perda de massa à formação de nebulosas.
  • Em casos envolvendo ABs altamente magnetizadas, a massa ejetada poderia ser significativamente maior, potencialmente formando nebulosas bipolares via lançamento de jatos.

• Resultados da Simulação BPS:

  • A taxa de formação galáctica para ENs formadas via CMIC dentro de NPs é estimada em $\sim 3,6 \times 10^{-4} \text{ ano}^{-1}$ (assumindo uma taxa de formação estelar de $2 M_\odot \text{ ano}^{-1}$).
  • As distribuições de massa de EC e massa total do núcleo para sistemas que levam ao CMIC mostram uma ampla faixa adequada para a formação tanto de nebulosas quanto de ENs.
  • As ABs quentes e núcleos gigantes durante o processo de espiralada podem atingir temperaturas ($\sim 30.000$ K) suficientes para ionizar o EC, enquanto a EN recém-nascida pode alimentar ainda mais a nebulosa via vento de pulsar.

Significado e Alegações
O artigo alega ser o primeiro a considerar e modelar seriamente a formação de estrelas de nêutrons dentro de nebulosas planetárias via evolução binária.

• Novidade: Introduz o conceito de "nebulosas simbóticas" formadas pela transferência de massa AB-GR levando ao AIC, e expande a definição de CMIC para incluir fusões dentro do EC de binárias de ABs resultando em ENs dentro de NPs.
• População: O autor sugere que a Via Láctea pode hospedar dezenas de sistemas binários EN-AB formados via o canal AIC descrito.
• Perspectivas Observacionais: O artigo postula que telescópios de próxima geração, baseados em terra e no espaço, podem em breve fornecer evidências convincentes para esses cenários, particularmente através de observações de nebulosas de vento de pulsar localizadas dentro de nebulosas planetárias em expansão.
• Impacto Teórico: Essas descobertas oferecem novos insights sobre fenômenos raros, como colapsos e explosões de ABs ocorrendo dentro do ambiente específico de nebulosas planetárias, refinando nossa compreensão da evolução estelar binária.