This work aims to present our current best physical understanding of common-envelope evolution (CEE). We highlight areas of consensus and disagreement, and stress ideas which should point the way forward for progress in this important but long-standing and largely unconquered problem. Unusually for CEE-related work, we mostly try to avoid relying on results from population synthesis or observations, in order to avoid potentially being misled by previous misunderstandings. As far as possible we debate all the relevant issues starting from physics alone, all the way from the evolution of the binary system immediately before CEE begins to the processes which might occur just after the ejection of the envelope. In particular, we include extensive discussion about the energy sources and sinks operating in CEE, and hence examine the foundations of the standard energy formalism. Special attention is also given to comparing the results of hydrodynamic simulations from different groups and to discussing the potential effect of initial conditions on the differences in the outcomes. We compare current numerical techniques for the problem of CEE and also whether more appropriate tools could and should be produced (including new formulations of computational hydrodynamics, and attempts to include 3D processes within 1D codes). Finally we explore new ways to link CEE with observations. We compare previous simulations of CEE to the recent outburst from V1309 Sco, and discuss to what extent post-common-envelope binaries and nebulae can provide information, e.g. from binary eccentricities, which is not currently being fully exploited.

Observations and modelling of an optical transient counterpart to a gravitational-wave event and γ-ray burst reveal that neutron-star mergers produce gravitational waves and radioactively powered kilonovae, and are a source of heavy elements. Merging neutron stars are potential sources of gravitational waves and have long been predicted to produce jets of material as part of a low-luminosity transient known as a 'kilonova'. There is growing evidence that neutron-star mergers also give rise to short, hard gamma-ray bursts. A group of papers in this issue report observations of a transient associated with the gravitational-wave event GW170817—a signature of two neutron stars merging and a gamma-ray flash—that was detected in August 2017. The observed gamma-ray, X-ray, optical and infrared radiation signatures support the predictions of an outflow of matter from double neutron-star mergers and present a clear origin for gamma-ray bursts. Previous predictions differ over whether the jet material would combine to form light or heavy elements. These papers now show that the early part of the outflow was associated with lighter elements whereas the later observations can be explained by heavier elements, the origins of which have been uncertain. However, one paper (by Stephen Smartt and colleagues) argues that only light elements are needed for the entire event. Additionally, Eleonora Troja and colleagues report X-ray observations and radio emissions that suggest that the 'kilonova' jet was observed off-axis, which could explain why gamma-ray-burst detections are seen as dim. Gravitational waves were discovered with the detection of binary black-hole mergers1 and they should also be detectable from lower-mass neutron-star mergers. These are predicted to eject material rich in heavy radioactive isotopes that can power an electromagnetic signal. This signal is luminous at optical and infrared wavelengths and is called a kilonova2,3,4,5. The gravitational-wave source GW170817 arose from a binary neutron-star merger in the nearby Universe with a relatively well confined sky position and distance estimate6. Here we report observations and physical modelling of a rapidly fading electromagnetic transient in the galaxy NGC 4993, which is spatially coincident with GW170817 and with a weak, short γ-ray burst7,8. The transient has physical parameters that broadly match the theoretical predictions of blue kilonovae from neutron-star mergers. The emitted electromagnetic radiation can be explained with an ejected mass of 0.04 ± 0.01 solar masses, with an opacity of less than 0.5 square centimetres per gram, at a velocity of 0.2 ± 0.1 times light speed. The power source is constrained to have a power-law slope of −1.2 ± 0.3, consistent with radioactive powering from r-process nuclides. (The r-process is a series of neutron capture reactions that synthesise many of the elements heavier than iron.) We identify line features in the spectra that are consistent with light r-process elements (atomic masses of 90–140). As it fades, the transient rapidly becomes red, and a higher-opacity, lanthanide-rich ejecta component may contribute to the emission. This indicates that neutron-star mergers produce gravitational waves and radioactively powered kilonovae, and are a nucleosynthetic source of the r-process elements.

view Abstract Citations (590) References (125) Co-Reads Similar Papers Volume Content Graphics Metrics Export Citation NASA/ADS Presupernova Evolution in Massive Interacting Binaries Podsiadlowski, Ph. ; Joss, P. C. ; Hsu, J. J. L. Abstract The way in which binary interaction affects the presupernova evolution of massive close binaries and the resulting supernova explosions is investigated systematically by means of a Henyey-type stellar evolution code that was modified to allow its application to binary stellar evolution calculations. The code makes it possible to trace the effects of mass and angular momentum loss from the binary, as well as mass transfer within the binary system. It is found that a large number of binary scenarios can be distinguished, depending on the type of binary interaction and the evolutionary stage of the supernova progenitor at the time of the interaction. Monte Carlo simulations are performed to estimate the frequencies of the occurrence of various scenarios. It is found that, because of a previous binary interaction, 15-30 percent of all massive stars (with initial masses greater than about 8 solar masses) become helium stars, and another 5 percent of all massive stars end their lives as blue supergiants rather than as red supergiants. Publication: The Astrophysical Journal Pub Date: May 1992 DOI: 10.1086/171341 Bibcode: 1992ApJ...391..246P Keywords: Binary Stars; Massive Stars; Stellar Evolution; Supernovae; Computational Astrophysics; Monte Carlo Method; Stellar Envelopes; Stellar Mass Accretion; Stellar Models; Supernova 1987a; Astrophysics full text sources ADS | data products SIMBAD (4)

Two groups present redshift determinations and other spectroscopic data for the γ-ray burst GRB 090423 — now the earliest and most distant astronomical object known. Salvaterra et al. report its initial detection with the Swift satellite on 23 April 2009, and a redshift determination with the Telescopio Nazionale Galileo on La Palma 14 hours after the burst, obtaining z ≈ 8.1. Tanvir et al. used the United Kingdom Infrared Telescope, Hawaii, from about 20 minutes after the burst and arrive at z ≈ 8.2. The previous highest redshift known for any object was z = 6.96 for a Lyman-α emitting galaxy. These measurements imply that massive stars were being produced and were dying as γ-ray bursts as early as about 600 million years after the Big Bang, and that their properties are very similar to those stars producing γ-ray bursts 10 billion years later. Long-duration γ-ray bursts (GRBs), thought to result from the explosions of certain massive stars, are bright enough that some of them should be observable out to redshifts of z > 20. So far, the highest redshift measured for any object has been z = 6.96, for a Lyman-α emitting galaxy. Here, and in an accompanying paper, GRB 090423 is reported to lie at a redshift of z ≈ 8.2, implying that massive stars were being produced and dying as GRBs approximately 620 million years after the Big Bang. Long-duration γ-ray bursts (GRBs) are thought to result from the explosions of certain massive stars1, and some are bright enough that they should be observable out to redshifts of z > 20 using current technology2,3,4. Hitherto, the highest redshift measured for any object was z = 6.96, for a Lyman-α emitting galaxy5. Here we report that GRB 090423 lies at a redshift of z ≈ 8.2, implying that massive stars were being produced and dying as GRBs ∼630 Myr after the Big Bang. The burst also pinpoints the location of its host galaxy.

Abstract Double neutron star (DNS) systems represent extreme physical objects and the endpoint of an exotic journey of stellar evolution and binary interactions. Large numbers of DNS systems and their mergers are anticipated to be discovered using the Square Kilometre Array searching for radio pulsars, and the high-frequency gravitational wave detectors (LIGO/VIRGO), respectively. Here we discuss all key properties of DNS systems, as well as selection effects, and combine the latest observational data with new theoretical progress on various physical processes with the aim of advancing our knowledge on their formation. We examine key interactions of their progenitor systems and evaluate their accretion history during the high-mass X-ray binary stage, the common envelope phase, and the subsequent Case BB mass transfer, and argue that the first-formed NSs have accreted at most  . We investigate DNS masses, spins, and velocities, and in particular correlations between spin period, orbital period, and eccentricity. Numerous Monte Carlo simulations of the second supernova (SN) events are performed to extrapolate pre-SN stellar properties and probe the explosions. All known close-orbit DNS systems are consistent with ultra-stripped exploding stars. Although their resulting NS kicks are often small, we demonstrate a large spread in kick magnitudes that may, in general, depend on the past interaction history of the exploding star and thus correlate with the NS mass. We analyze and discuss NS kick directions based on our SN simulations. Finally, we discuss the terminal evolution of close-orbit DNS systems until they merge and possibly produce a short γ -ray burst.

Type Ia supernovae have been used empirically as 'standard candles' to demonstrate the acceleration of the expansion of the Universe even though fundamental details, such as the nature of their progenitor systems and how the stars explode, remain a mystery. There is consensus that a white dwarf star explodes after accreting matter in a binary system, but the secondary body could be anything from a main-sequence star to a red giant, or even another white dwarf. This uncertainty stems from the fact that no recent type Ia supernova has been discovered close enough to Earth to detect the stars before explosion. Here we report early observations of supernova SN 2011fe in the galaxy M101 at a distance from Earth of 6.4 megaparsecs. We find that the exploding star was probably a carbon-oxygen white dwarf, and from the lack of an early shock we conclude that the companion was probably a main-sequence star. Early spectroscopy shows high-velocity oxygen that slows rapidly, on a timescale of hours, and extensive mixing of newly synthesized intermediate-mass elements in the outermost layers of the supernova. A companion paper uses pre-explosion images to rule out luminous red giants and most helium stars as companions to the progenitor.

Gamma-ray bursts (GRBs) serve as powerful probes of the early Universe, with their luminous afterglows revealing the locations and physical properties of star forming galaxies at the highest redshifts, and potentially locating first generation (Population III) stars. Since GRB afterglows have intrinsically very simple spectra, they allow robust redshifts from low signal to noise spectroscopy, or photometry. Here we present a photometric redshift of z~9.4 for the Swift-detected GRB 090429B based on deep observations with Gemini-North, the Very Large Telescope, and the GRB Optical and Near-infrared Detector. Assuming a Small Magellanic Cloud dust law (which has been found in a majority of GRB sight-lines), the 90% likelihood range for the redshift is 9.06 < z < 9.52, although there is a low-probability tail to somewhat lower redshifts. Adopting Milky Way or Large Magellanic Cloud dust laws leads to very similar conclusions, while a Maiolino law does allow somewhat lower redshift solutions, but in all cases the most likely redshift is found to be z>7. The non-detection of the host galaxy to deep limits (Y_AB >~ 28 mag, which would correspond roughly to 0.001 L* at z=1) in our late time optical and infrared observations with the Hubble Space Telescope strongly supports the extreme redshift origin of GRB 090429B, since we would expect to have detected any low-z galaxy, even if it were highly dusty. Finally, the energetics of GRB 090429B are comparable to those of other GRBs, and suggest that its progenitor is not greatly different to those of lower redshift bursts.

The explosion of ultra-stripped stars in close binaries can lead to ejecta masses <0.1 M⊙ and may explain some of the recent discoveries of weak and fast optical transients. In Tauris et al., it was demonstrated that helium star companions to neutron stars (NSs) may experience mass transfer and evolve into naked ∼1.5 M⊙ metal cores, barely above the Chandrasekhar mass limit. Here, we elaborate on this work and present a systematic investigation of the progenitor evolution leading to ultra-stripped supernovae (SNe). In particular, we examine the binary parameter space leading to electron-capture (EC SNe) and iron core-collapse SNe (Fe CCSNe), respectively, and determine the amount of helium ejected with applications to their observational classification as Type Ib or Type Ic. We mainly evolve systems where the SN progenitors are helium star donors of initial mass MHe = 2.5–3.5 M⊙ in tight binaries with orbital periods of Porb = 0.06–2.0 d, and hosting an accreting NS, but we also discuss the evolution of wider systems and of both more massive and lighter – as well as single – helium stars. In some cases, we are able to follow the evolution until the onset of silicon burning, just a few days prior to the SN explosion. We find that ultra-stripped SNe are possible for both EC SNe and Fe CCSNe. EC SNe only occur for MHe = 2.60–2.95 M⊙ depending on Porb. The general outcome, however, is an Fe CCSN above this mass interval and an ONeMg or CO white dwarf for smaller masses. For the exploding stars, the amount of helium ejected is correlated with Porb – the tightest systems even having donors being stripped down to envelopes of less than 0.01 M⊙. We estimate the rise time of ultra-stripped SNe to be in the range 12 h–8 d, and light-curve decay times between 1 and 50 d. A number of fitting formulae for our models are provided with applications to population synthesis. Ultra-stripped SNe may produce NSs in the mass range 1.10–1.80 M⊙ and are highly relevant for LIGO/VIRGO since most (possibly all) merging double NS systems have evolved through this phase. Finally, we discuss the low-velocity kicks which might be imparted on these resulting NSs at birth.

Stellar Explosions Stars that are born with masses greater than eight times that of the Sun end their lives in luminous explosions known as supernovae. Over the past decade, access to improved sky surveys has revealed rare types of supernovae that are much more luminous than any of those that were known before. Gal-Yam (p. 927 ) reviews these superluminous events and groups them into three classes that share common observational and physical characteristics. Gamma-ray bursts are another type of extreme explosive events related to the death of massive stars, which occur once per day somewhere in the universe and produce short-lived bursts of gamma-ray light. Gehrels and Mészáros (p. 932 ) review what has been learned about these events since the launch of NASA's Swift (2004) and Fermi (2008) satellites. The current interpretation is that gamma-ray bursts are related to the formation of black holes. Type Ia supernovae are used as cosmological distance indicators. They are thought to be the result of the thermonuclear explosion of white dwarf stars in binary systems, but the nature of the stellar companion to the white dwarf is still debated. Dilday et al. (p. 942 ) report high-resolution spectroscopy of the supernova PTF 11kx, which was detected on 26 January 2011 by the Palomar Transient Factory survey. The data suggest a red giant star companion whose material got transferred to the white dwarf.