Sequence of 7 mid-IR (~10 micrometers) images of WR 112 taken between 2001 – 2019 by Gemini North, Gemini South, Keck, the Very Large Telescope (VLT), and the Subaru Telescope. Die Länge der weißen Linie auf jedem Bild entspricht etwa 6800 Astronomischen Einheiten. Credit: Lau et al.

Mit fast zwei Jahrzehnten an Aufnahmen im mittleren Infrarot (IR) von den größten Observatorien der Welt, einschließlich des Subaru-Teleskops, war ein Team von Astronomen in der Lage, die Spiralbewegung von neu gebildetem Staub einzufangen, der aus dem massiven und entwickelten Doppelsternsystem Wolf-Rayet (WR) 112 strömt. Massereiche Doppelsternsysteme sowie Supernovaexplosionen werden als Quellen von Staub im Universum aus seiner Frühgeschichte angesehen, aber der Prozess der Staubproduktion und die Menge des ausgestoßenen Staubs sind noch immer offene Fragen. WR 112 ist ein Doppelsternsystem, das aus einem massereichen Stern in der sehr späten Phase der Sternentwicklung, der viel Masse verliert, und einem anderen massereichen Stern in der Hauptreihe besteht. Es wird erwartet, dass sich der Staub in der Region bildet, in der die Sternwinde dieser beiden Sterne zusammenstoßen. Die Studie enthüllt die Bewegung des staubigen Ausflusses aus dem System und identifiziert WR 112 als eine hocheffiziente Staubfabrik, die jedes Jahr eine ganze Erdmasse an Staub produziert.

Der Hauptautor Ryan Lau stellt die Highlights der Forschungsergebnisse vor. (Credit: NAOJ und ISAS/JAXA)

Die Staubbildung, die typischerweise in den sanften Ausströmungen von kühlen Sternen mit einer sonnenähnlichen Masse zu beobachten ist, ist in der extremen Umgebung massereicher Sterne und ihren heftigen Winden eher ungewöhnlich. Wenn die schnellen Winde zweier massereicher Sterne in einem Doppelsternsystem zusammenstoßen, geschehen jedoch interessante Dinge.

„Wenn die beiden Winde zusammenstoßen, bricht die Hölle los, einschließlich der Freisetzung zahlreicher Schockgas-Röntgenstrahlen, aber auch der (auf den ersten Blick überraschenden) Erzeugung großer Mengen kohlenstoffbasierter Aerosolstaubpartikel in den Doppelsternsystemen, in denen einer der Sterne sich zum He-Brennen entwickelt hat, was 40 % C in ihren Winden erzeugt“, sagt Co-Autor Anthony Moffat (Universität Montreal). Dieser Prozess der Staubbildung ist genau das, was in WR 112 stattfindet.

Dieses Phänomen der binären Staubbildung wurde von Co-Autor Peter Tuthill (University of Sydney) auch in anderen Systemen wie WR 104 entdeckt. Insbesondere WR 104 zeigt eine elegante Staubspur, die einem „Windrad“ ähnelt und die Bahnbewegung des zentralen Doppelsternsystems nachzeichnet.

Der Staubnebel um WR 112 ist jedoch viel komplexer als ein einfaches Windradmuster. Jahrzehntelange Beobachtungen mehrerer Wellenlängen ergaben widersprüchliche Interpretationen des staubigen Ausflusses und der Bahnbewegung von WR 112. Nach fast 20 Jahren Ungewissheit über WR 112 lieferten Bilder des COMICS-Instruments am Subaru-Teleskop, die im Oktober 2019 aufgenommen wurden, das letzte – und unerwartete – Teil des Puzzles.

„Wir haben 2017 eine Studie über WR 112 veröffentlicht, die nahelegte, dass sich der Staubnebel überhaupt nicht bewegt, also dachte ich, dass unsere COMICS-Beobachtung dies bestätigen würde“, erklärte der Hauptautor Ryan Lau (ISAS/JAXA). „Zu meiner Überraschung zeigte das COMCIS-Bild, dass sich die staubige Hülle seit dem letzten Bild, das wir 2016 mit dem VLT aufgenommen hatten, definitiv bewegt hatte. Das verwirrte mich so sehr, dass ich nach dem Beobachtungslauf nicht schlafen konnte – ich blätterte immer wieder durch die Bilder, bis mir schließlich einfiel, dass die Spirale so aussah, als würde sie auf uns zustürzen.“

Lau arbeitete mit Forschern der University of Sydney zusammen, darunter Prof. Peter Tuthill und der Student Yinuo Han, die Experten für die Modellierung und Interpretation der Bewegung von Staubspiralen aus Doppelsternsystemen wie WR 112 sind. „Ich habe die Bilder von WR 112 mit Peter und Yinuo geteilt, und sie waren in der Lage, ein erstaunliches vorläufiges Modell zu erstellen, das bestätigte, dass sich der staubige Spiralstrom entlang unserer Sichtlinie in unsere Richtung dreht“, sagte Lau.

Animation 1: Animiertes Modell des spiralförmigen Staubnebels um WR 112 (links) und die entsprechenden tatsächlichen Beobachtungen (rechts). Das φ-Symbol in der Modellanimation zeigt die Orbitalphase des zentralen Doppelsterns an, wobei φ = 0 am Anfang seiner 20-jährigen Umlaufbahn und φ = 1 am Ende seiner Umlaufbahn steht. Die Animation pausiert bei jeder Phase, die in den realen Beobachtungen angezeigt wird. (Credit: Lau et al.)

Die obige Animation zeigt einen Vergleich zwischen den vom Forscherteam erstellten Modellen von WR 112 und den tatsächlichen Beobachtungen im mittleren IR. Das Aussehen der Modellbilder zeigt eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit den realen Bildern von WR 112. Die Modelle und die Serie von Bildbeobachtungen ergaben, dass die Rotationsperiode dieser staubigen „Edge-on“-Spirale (und die Umlaufperiode des zentralen Doppelsternsystems) 20 Jahre beträgt.

Der drastische Unterschied zwischen „face-on“- und „edge-on“-Erscheinung, der mit unserem Blickwinkel auf WR 112 zusammenhängt, wird in der folgenden Abbildung und den Animationen demonstriert.

Abbildung 2: Modell des WR 112-Nebels aus dem Blickwinkel „face-on“ (links) und dem beobachteten Blickwinkel (rechts). Die gestrichelten Linien veranschaulichen die Bewegung der zentralen Doppelsternbahn, wobei der Abstand des zentralen Doppelsterns und die Größe der einzelnen Sterne nicht maßstabsgerecht dargestellt sind. Zu jeder Tafel gehört eine eigene Animation, die die Umdrehung der Spirale in beiden Blickwinkeln zeigt. Credit: Lau et al.

Animation 2a.

Animation 2b.

Die nachstehende Animation hilft, den Übergang vom „face-on“ zum beobachteten Blickwinkel von WR 112 zu visualisieren.

Animation 3: Diese Animation zeigt die Auswirkung des Blickwinkels auf das Aussehen der staubigen Spirale. Zunächst zeigt das „face-on“-Modell eine volle Umdrehung der Staubspirale, wenn sie sich in der Himmelsebene drehen würde. Die Spirale wird dann auf die beobachtete Neigung (i) und den Drehwinkel (Ω) gedreht, wo sie eine weitere volle Umdrehung vollführt. Man beachte, dass die Geometrie der 3D-Spirale selbst exakt dieselbe ist, nur der Betrachtungswinkel verändert ihr Aussehen. Credit: Lau et al.

Mit dem überarbeiteten Bild von WR 112 konnte das Forscherteam ableiten, wie viel Staub sich in diesem Doppelsternsystem bildet. „Spiralen sind sich wiederholende Muster, und da wir wissen, wie viel Zeit es dauert, eine volle staubige Spiralwindung zu bilden (~20 Jahre), können wir das Alter des Staubs, der von den Doppelsternen im Zentrum der Spirale produziert wird, tatsächlich nachvollziehen“, sagt Lau. Er weist darauf hin, dass „im Zentrum der Spirale frisch gebildeter Staub vorhanden ist, während der Staub, den wir 4 Spiralwindungen entfernt sehen, etwa 80 Jahre alt ist. Daher können wir im Wesentlichen ein ganzes Menschenleben entlang des staubigen Spiralstroms verfolgen, den wir in unseren Beobachtungen entdeckt haben. So konnte ich auf den Bildern den Staub genau lokalisieren, der sich bildete, als ich geboren wurde (im Moment liegt er irgendwo zwischen der ersten und zweiten Spiralwindung).“

Zu ihrer Überraschung stellte das Team fest, dass WR 112 eine hocheffiziente Staubfabrik ist, die pro Jahr 3×10-6 Sonnenmassen Staub produziert, was der Produktion einer ganzen Erdmasse pro Jahr entspricht. Dies war angesichts der 20-jährigen Umlaufzeit von WR 112 ungewöhnlich – die effizientesten Staubproduzenten in dieser Art von WR-Doppelsternsystemen haben in der Regel kürzere Umlaufzeiten von weniger als einem Jahr wie WR 104 mit seiner 220-tägigen Umlaufzeit. WR 112 zeigt daher die Vielfalt der WR-Doppelsternsysteme, die in der Lage sind, effizient Staub zu bilden, und unterstreicht ihre potenzielle Rolle als bedeutende Staubquellen nicht nur in unserer Galaxie, sondern auch in Galaxien jenseits unserer eigenen.

Schließlich demonstrieren diese Ergebnisse das Entdeckungspotenzial der Multi-Epochen-Bildgebung im mittleren IR mit dem MIMIZUKU-Instrument auf dem künftigen Tokyo Atacama Observatory (TAO). Die Mid-IR-Ergebnisse dieser Studie nutzen insbesondere die größten Observatorien der Welt und bilden die Grundlage für das nächste Jahrzehnt astronomischer Entdeckungen mit Teleskopen der 30-m-Klasse und dem kommenden James Webb Space Telescope.

Diese Forschungsergebnisse wurden veröffentlicht als Ryan M. Lau et al. „Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112“ am 15. September 2020 in The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Hinweise

Wolf-Rayet (WR) Sterne sind entwickelte, sehr massereiche Sterne, die bereits ihre wasserstoffreiche Hülle verloren haben. Die Oberfläche dieser Objekte ist reich an schweren Elementen wie Kohlenstoff, die durch den internen Heliumverbrennungsprozess entstehen. Dies führt dazu, dass der Auswurf von WR-Sternen einen hohen Anteil an Kohlenstoff und anderen schweren Elementen enthält, im Gegensatz zu dem wasserstoffreichen Material, das von gewöhnlichen entwickelten Sternen ausgeworfen wird und eine große Menge Staub bildet.