Sekvence 7 snímků WR 112 v oblasti středního infračerveného záření (~10 mikrometrů) pořízených v letech 2001 – 2019 dalekohledy Gemini North, Gemini South, Keck, Very Large Telescope (VLT) a Subaru Telescope. Délka bílé čáry na každém snímku odpovídá přibližně 6800 astronomickým jednotkám. Kredit: Lau a spol.

Díky téměř dvacetiletému snímkování v oboru středního infračerveného záření (IR) z největších observatoří světa včetně dalekohledu Subaru se týmu astronomů podařilo zachytit spirální pohyb nově vzniklého prachu proudícího z masivní a vyvinuté dvojhvězdy Wolf-Rayet (WR) 112. Masivní dvojhvězdné systémy, stejně jako výbuchy supernov, jsou považovány za zdroje prachu ve vesmíru od jeho rané historie, ale proces vzniku prachu a množství vyvrženého prachu jsou stále otevřené otázky. WR 112 je binární systém složený z masivní hvězdy ve velmi pozdní fázi hvězdného vývoje, která ztrácí velké množství hmoty, a další masivní hvězdy na hlavní posloupnosti. Očekává se, že prach vzniká v oblasti, kde se střetávají hvězdné větry těchto dvou hvězd. Studie odhaluje pohyb prachového výtoku ze systému a identifikuje WR 112 jako vysoce efektivní továrnu na prach, která ročně vyprodukuje celou hmotnost prachu na Zemi.

Vedoucí autor Ryan Lau představuje hlavní body výsledků výzkumu. (Kredit: NAOJ a ISAS/JAXA)

Tvorba prachu, která je obvykle pozorována v jemných výtocích z chladných hvězd s hmotností podobnou Slunci, je poněkud neobvyklá v extrémním prostředí kolem masivních hvězd a jejich prudkých větrů. Při interakci rychlých větrů dvou masivních hvězd ve dvojhvězdě se však dějí zajímavé věci.

„Když se tyto dva větry srazí, rozpoutá se peklo, včetně uvolňování velkého množství rentgenového záření šokovaného plynu, ale také (na první pohled překvapivého) vzniku velkého množství prachových částic na bázi uhlíkového aerosolu v těch dvojhvězdách, v nichž se jedna z hvězd vyvinula k hoření He, které produkuje 40 % C v jejich větru,“ říká spoluautor Anthony Moffat (University of Montreal). Právě k tomuto procesu tvorby prachu dochází ve WR 112.

Tento jev tvorby prachu ve dvojhvězdách odhalil spoluautor Peter Tuthill (University of Sydney) i v jiných systémech, například ve WR 104. Zejména u WR 104 je patrná elegantní prachová stopa připomínající „ozubené kolečko“, která sleduje oběžný pohyb centrální dvojhvězdné soustavy.

Prašná mlhovina kolem WR 112 je však mnohem složitější než jednoduchý obrazec ozubeného kolečka. Desetiletí pozorování na více vlnových délkách představila protichůdné interpretace prachového výtoku a orbitálního pohybu WR 112. Po téměř 20 letech nejistoty ohledně WR 112 poskytly snímky z přístroje COMICS na teleskopu Subaru pořízené v říjnu 2019 poslední – a nečekaný – díl skládačky.

„V roce 2017 jsme publikovali studii o WR 112, která naznačovala, že se prachová mlhovina vůbec nepohybuje, takže jsem si myslel, že naše pozorování COMICS to potvrdí,“ vysvětlil hlavní autor Ryan Lau (ISAS/JAXA). „K mému překvapení snímek COMCIS odhalil, že se prachová slupka od posledního snímku, který jsme pořídili pomocí VLT v roce 2016, rozhodně pohnula. Zmátlo mě to natolik, že jsem po pozorování nemohl usnout – neustále jsem listoval snímky, až jsem si nakonec v hlavě zaregistroval, že spirála vypadá, jako by se k nám řítila.“

Lau spolupracoval s vědci z University of Sydney včetně profesora Petera Tuthilla a studenta Yinuo Hana, kteří jsou odborníky na modelování a interpretaci pohybu prachových spirál z binárních systémů, jako je WR 112. „Podělil jsem se s Peterem a Yinuo o snímky WR 112 a oni byli schopni vytvořit úžasný předběžný model, který potvrdil, že prachový spirální proud rotuje v našem směru podél naší přímky pohledu,“ řekl Lau.

Animace 1: Animovaný model spirální prachové mlhoviny kolem WR 112 (vlevo) a skutečná odpovídající pozorování (vpravo). Symbol φ na animaci modelu označuje oběžnou fázi centrální dvojhvězdy, kde φ = 0 je na začátku její 20leté dráhy a φ = 1 je na konci její dráhy. Animace se zastaví v každé fázi, která je zobrazena ve skutečných pozorováních. (Kredit: Lau et al.)

Výše uvedená animace ukazuje srovnání modelů WR 112 vytvořených výzkumným týmem spolu se skutečnými pozorováními ve středním infračerveném pásmu. Vzhled modelových snímků vykazuje pozoruhodnou shodu se skutečnými snímky WR 112. Modely a série obrazových pozorování odhalily, že rotační perioda této prachové „edge-on“ spirály (a oběžná perioda centrálního binárního systému) je 20 let.

Drastický rozdíl mezi vzhledem „face-on“ a „edge-on“, který souvisí s naším úhlem pohledu na WR 112, demonstruje obrázek a animace níže.

Obrázek 2: Model mlhoviny WR 112 z úhlu pohledu „face-on“ (vlevo) a pozorovaného úhlu pohledu (vpravo). Přerušované čáry znázorňují pohyb dráhy centrální dvojhvězdy, přičemž separace centrální dvojhvězdy a velikost jednotlivých hvězd není znázorněna v měřítku. Každý panel má vlastní doprovodnou animaci, která ukazuje otáčení spirály v obou úhlech pohledu. Kredit: Lau et al.

Animace 2a.

Animace 2b.

Následující animace pomáhá vizualizovat přechod z čelního do pozorovacího úhlu WR 112.

Animace 3: Tato animace ukazuje vliv úhlu pohledu na vzhled prachové spirály. Nejprve model „face-on“ ukazuje jednu celou otáčku prachové spirály, pokud by se otáčela v rovině oblohy. Poté je spirála otočena do pozorovaného sklonu (i) a rotačního úhlu (Ω), kde pokračuje další plnou otáčkou. Všimněte si, že geometrie samotné 3D spirály je naprosto stejná, ale její vzhled mění pouze úhel pohledu. Kredit: Lau a kol.

Pomocí revidovaného snímku WR 112 byl výzkumný tým schopen odvodit, kolik prachu se v tomto binárním systému tvoří. „Spirály jsou opakující se obrazce, takže protože víme, jak dlouho trvá vytvoření jedné plné prachové spirální otočky (~20 let), můžeme vlastně vysledovat stáří prachu produkovaného dvojhvězdami v centru spirály,“ říká Lau. Poukazuje na to, že „v samotném středu spirály je čerstvě vytvořený prach, zatímco prach, který vidíme ve vzdálenosti 4 spirálních otáček, je starý asi 80 let. Můžeme tedy v podstatě vysledovat celý lidský život podél prachového proudu spirály, který odhalilo naše pozorování. Takže bych vlastně mohl na snímcích přesně určit prach, který vznikl v době, kdy jsem se narodil (právě teď je to někde mezi první a druhou spirální otočkou).“

Ke svému překvapení tým zjistil, že WR 112 je vysoce efektivní továrna na prach, která produkuje prach rychlostí 3×10-6 hmotnosti Slunce za rok, což odpovídá produkci celé hmotnosti zemského prachu ročně. To bylo neobvyklé vzhledem k dvacetileté oběžné době WR 112 – nejefektivnější producenti prachu v tomto typu dvojhvězdných systémů WR mají obvykle kratší oběžné doby kratší než jeden rok, jako například WR 104 s periodou 220 dní. WR 112 tak demonstruje rozmanitost WR binárních systémů, které jsou schopny efektivně tvořit prach, a zdůrazňuje jejich potenciální roli jako významných zdrojů prachu nejen v naší Galaxii, ale i v galaxiích mimo naši Galaxii.

V neposlední řadě tyto výsledky demonstrují objevitelský potenciál vícebodového zobrazování ve středním infračerveném pásmu pomocí přístroje MIMIZUKU na připravované observatoři Tokyo Atacama Observatory (TAO). Výsledky v oblasti střední infračervené oblasti z této studie využívají zejména největší observatoře na světě a připravují půdu pro další desetiletí astronomických objevů pomocí dalekohledů třídy 30 m a připravovaného vesmírného dalekohledu Jamese Webba.

Tyto výsledky výzkumu byly publikovány pod názvem Ryan M. Lau et al. „Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112“ dne 15. září 2020 v časopise The Astrophysical Journal.

Poznámky

Wolf-Rayet (WR) hvězdy jsou vyvinuté velmi hmotné hvězdy, které již ztratily svou na vodík bohatou obálku. Povrch těchto objektů je bohatý na těžké prvky, jako je uhlík vznikající při vnitřním spalování helia. To má za následek, že výtrysky z WR hvězd obsahují vysoké podíly uhlíku a dalších těžkých prvků, na rozdíl od materiálu bohatého na vodík vyvrženého běžnými vyvinutými hvězdami, které tvoří velké množství prachu

.