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

Resumo Técnico: Altas Taxas de Acreção em Estrelas Massivas Evoluídas e Removidas de Envelope por Jatos

1. O Problema
O estudo aborda um desafio fundamental na evolução estelar e na astrofísica de transientes: como estrelas massivas que já perderam seus envelopes de hidrogênio (estrelas de Wolf-Rayet, ou WR) podem acreter massa a taxas elevadas sem sofrer uma expansão estelar descontrolada.

• O Dilema da Expansão: Quando uma estrela acreta massa rapidamente, ela tende a se expandir significativamente. Essa expansão reduz a profundidade do poço de potencial gravitacional, o que, por sua vez, diminui a eficiência da acreção e pode impedir a formação de um disco de acreção.
• O Papel dos Jatos: Em muitos cenários astrofísicos (como em evoluções de envelope comum ou transientes ópticos de luminosidade intermediária - ILOTs), acredita-se que jatos bipolares sejam lançados pelo disco de acreção. O problema é que, se a estrela inchar demais, esses jatos podem não conseguir operar ou serem suficientemente potentes.
• Objetivo: Investigar se a remoção de massa induzida por jatos das camadas externas de alta entropia pode atuar como um mecanismo de "feedback positivo", permitindo que a estrela mantenha um raio pequeno e um poço de potencial profundo, sustentando assim altas taxas de acreção e a liberação de grande energia gravitacional.

2. Metodologia
Os autores utilizaram simulações numéricas unidimensionais (1D) utilizando o código de evolução estelar MESA (Modules for Experiments in Stellar Astrophysics), versão 24.03.1. O estudo foi dividido em três etapas principais:

• Fase A1 (Evolução Isolada): Evolução de uma estrela de sequência principal com massa inicial de $20 M_\odot$ até o estágio de supergigante vermelha (RSG), formando um núcleo de carbono e oxigênio.
• Fase A2 (Remoção de Envelope): Simulação de uma interação binária forte (como uma evolução de envelope comum) onde o envelope rico em hidrogênio e grande parte do hélio são removidos manualmente. Isso resulta em um modelo de estrela WR com massa final de $\approx 6.03 M_\odot$ e raio de $\approx 0.67 R_\odot$.
• Fase A3 (Acreção com Pulso de Jatos): Esta é a etapa central da pesquisa. Para mimetizar o processo físico onde o disco de acreção adiciona massa no plano equatorial e os jatos removem as camadas externas, os autores dividiram o período de acreção em centenas de "pulsos":
  • Metade do pulso: Adição de massa (acréscimo).
  • Segunda metade do pulso: Remoção de uma fração ($\alpha$) da massa adicionada, simulando a ejeção das camadas de alta entropia pelos jatos.
  • Foram testados vários cenários (B, C, D, E, F) variando a taxa de acreção líquida, a duração e a eficiência da remoção de massa ($\alpha = \dot{M}_{rm} / \dot{M}_{add}$), onde $\alpha$ varia de 0 (sem remoção) até 0.9 (remoção de 90% da massa adicionada).

3. Contribuições Principais

• Validação de Cenário de Feedback Positivo: O estudo demonstra que a remoção de massa induzida por jatos não é apenas um mecanismo de perda de massa, mas um regulador crítico que permite a acreção contínua em altas taxas sem a expansão catastrófica da estrela.
• Modelagem de Estrelas WR em Binárias: Estende o modelo de acreção com jatos (anteriormente aplicado a estrelas de sequência principal) para estrelas evoluídas com envelope removido (WR), um cenário relevante para explosões de variáveis azuis luminosas (LBVs) e transientes luminosos.
• Mecanismo de Pulso em 1D: Desenvolveu uma técnica numérica robusta para simular processos 3D complexos (acréscimo equatorial + ejeção polar) dentro de um código 1D, dividindo o tempo em ciclos de adição e remoção de massa.

4. Resultados Chave

• Supressão da Expansão Estelar: A remoção de apenas uma fração da massa adicionada (entre 20% a 90%) resultou em uma redução drástica na expansão estelar.
  • Em simulações sem remoção de massa (caso de referência), o raio estelar cresceu de $0.67 R_\odot$ para $10 R_\odot$ (ou mais).
  • Com a remoção de massa eficiente ($\alpha = 0.9$), o raio final foi reduzido por um fator de $\simeq 2$ a $5$ em comparação com o caso sem remoção (ex: caindo para $\approx 2.76 R_\odot$ ou menos, dependendo da taxa).
• Manutenção do Poço de Potencial: Ao manter o raio pequeno, a estrela preserva um poço de potencial gravitacional profundo. Isso permite que a energia gravitacional liberada por unidade de massa acrecida seja muito maior.
• Potência da Acreção: Para um caso típico com $\alpha=0.9$, a potência liberada pelo processo de acreção foi estimada em $\approx 6.6 \times 10^6 L_\odot$, que é dezenas de vezes maior que a luminosidade estelar intrínseca da estrela WR.
• Sobrevivência do Disco de Acreção: As simulações de densidade mostraram que, mesmo com a expansão moderada do envelope, a densidade das camadas externas permanece baixa o suficiente para permitir que o disco de acreção sobreviva e lance jatos, evitando que o disco seja destruído pelo envelope estelar.

5. Significado e Implicações

• Explicação para Transientes Luminosos (ILOTs): Os resultados fortalecem o modelo de que eventos como Novas Vermelhas Luminosas e outros transientes ópticos de luminosidade intermediária (ILOTs) podem ser alimentados pela acreção de alta taxa em estrelas não degeneradas (como WRs) que lançam jatos. A energia liberada pela colisão dos jatos com o material circumbinário explicaria a luminosidade observada.
• Morfologia Bipolar: O mecanismo proposto explica naturalmente a morfologia bipolar observada nas ejectas de muitos ILOTs, já que a energia é canalizada através de jatos.
• Evolução Binária: O estudo sugere que estrelas WR em sistemas binários próximos podem passar por fases de acreção intensa sem se fundir prematuramente ou se expandir até preencher o lóbulo de Roche de forma destrutiva, permitindo a liberação de grandes quantidades de energia gravitacional em curtos períodos.

Em suma, o artigo estabelece que a remoção de massa por jatos é um mecanismo essencial que permite a existência de fases de acreção hiper-luminosa em estrelas massivas evoluídas, resolvendo o paradoxo entre a necessidade de alta acreção e a tendência natural de expansão estelar.