Serie av sju bilder av WR 112 i mellanljuset (~10 mikrometer) som togs mellan 2001 och 2019 av Gemini North, Gemini South, Keck, Very Large Telescope (VLT) och Subaru-teleskopet. Längden på den vita linjen på varje bild motsvarar ungefär 6800 astronomiska enheter. Credit: Lau et al.

Med nästan två decennier av bilder i mellaninfrarött (IR) från de största observatorierna i världen, inklusive Subaru-teleskopet, kunde ett team av astronomer fånga den spiralformade rörelsen hos nybildat damm som strömmar från det massiva och utvecklade binära stjärnsystemet Wolf-Rayet (WR) 112. Massiva binära stjärnsystem, liksom supernovaexplosioner, anses vara källor till stoft i universum från dess tidiga historia, men processen för stoftproduktion och mängden av det utkastade stoftet är fortfarande öppna frågor. WR 112 är ett binärt system som består av en massiv stjärna som befinner sig i ett mycket sent skede av stjärnutvecklingen och förlorar en stor mängd massa, och en annan massiv stjärna som befinner sig i huvudsekvensen. Damm förväntas bildas i det område där stjärnvindar från dessa två stjärnor kolliderar. Studien avslöjar rörelsen hos det dammiga utflödet från systemet och identifierar WR 112 som en mycket effektiv dammfabrik som producerar en hel jordmassa damm varje år.

Huvudförfattaren Ryan Lau presenterar höjdpunkterna i forskningsresultaten. (Credit: NAOJ and ISAS/JAXA)

Dammbildning, som vanligtvis ses i de milda utflödena från svala stjärnor med solliknande massa, är något ovanligt i den extrema miljön runt massiva stjärnor och deras våldsamma vindar. Det händer dock intressanta saker när de snabba vindarna från två massiva stjärnor i en dubbelstjärna interagerar.

”När de två vindarna kolliderar bryter helvetet lös, bland annat genom att det frigörs rikligt med röntgenstrålar från chockade gaser, men också genom att det (vid första anblicken överraskande) bildas rikliga mängder av kolbaserade aerosoldammpartiklar i de dubbelstjärnor där den ena stjärnan har utvecklat sig till att förbränna He, vilket producerar 40 % C i deras vindar”, säger Anthony Moffat (University of Montreal), som är medförfattare. Denna stoftbildningsprocess är precis vad som sker i WR 112.

Detta fenomen med binär stoftbildning har avslöjats i andra system, t.ex. WR 104, av medförfattaren Peter Tuthill (University of Sydney). WR 104, i synnerhet, avslöjar ett elegant spår av damm som liknar ett ”nålhjul” som spårar det centrala binära stjärnsystemets omloppsrörelse.

Den dammiga nebulosan runt WR 112 är dock mycket mer komplex än ett enkelt nålhjulsmönster. Decennier av observationer med flera våglängder presenterade motstridiga tolkningar av det dammiga utflödet och omloppsrörelsen i WR 112. Efter nästan 20 års osäkerhet kring WR 112 gav bilder från COMICS-instrumentet på Subaru-teleskopet som togs i oktober 2019 den sista – och oväntade – pusselbiten.

”Vi publicerade en studie 2017 om WR 112 som antydde att den dammiga nebulosan inte rörde sig alls, så jag trodde att vår COMICS-observation skulle bekräfta detta”, förklarade huvudförfattaren Ryan Lau (ISAS/JAXA). ”Till min förvåning visade COMCIS-bilden att den dammiga nebulosan definitivt hade rört sig sedan den senaste bilden som vi tog med VLT 2016. Det förvirrade mig så mycket att jag inte kunde sova efter observationskörningen – jag fortsatte att bläddra i bilderna tills det till slut registrerades i mitt huvud att spiralen såg ut att tumla mot oss.”

Lau samarbetade med forskare vid University of Sydney, bland annat professor Peter Tuthill och doktorand Yinuo Han, som är experter på att modellera och tolka rörelsen hos de dammiga spiralerna från binära system som WR 112. ”Jag delade bilderna av WR 112 med Peter och Yinuo, och de kunde ta fram en fantastisk preliminär modell som bekräftade att den dammiga spiralströmmen roterar i vår riktning längs vår siktlinje”, säger Lau.

Animation 1: Animerad modell av den dammiga spiralnebulosan runt WR 112 (till vänster) och de faktiska motsvarande observationerna (till höger). φ-symbolen i modellanimationen anger den centrala binära stjärnans omloppsfas, där φ = 0 är i början av dess 20-åriga omloppsbana och φ = 1 är i slutet av dess omloppsbana. Animationen pausar vid varje fas som visas i de verkliga observationerna. (Credit: Lau et al.)

Animationen ovan visar en jämförelse mellan de modeller av WR 112 som forskargruppen skapat tillsammans med de verkliga mid-IR-observationerna. Utseendet på modellbilderna visar en anmärkningsvärd överensstämmelse med de verkliga bilderna av WR 112. Modellerna och serien av bildobservationer avslöjade att rotationsperioden för denna dammiga ”edge-on”-spiral (och omloppstiden för det centrala binära systemet) är 20 år.

Den drastiska skillnaden mellan ”face-on” och ”edge-on” utseende, som har att göra med vår betraktningsvinkel av WR 112, demonstreras i figuren och animationerna nedan.

Figur 2: Modell av WR 112 nebulosan från en betraktningsvinkel med ansikte mot ansikte (till vänster) och den observerade betraktningsvinkeln (till höger). De streckade linjerna illustrerar den centrala binära banans rörelse, där den centrala binärens separation och storleken på varje stjärna inte visas i skala. Varje panel har sin egen medföljande animation som visar spiralens rotation i båda betraktningsvinklarna. Credit: Lau et al.

Animation 2a.

Animation 2b.

Animationen nedan hjälper till att visualisera övergången från ansiktsbild till den observerade betraktningsvinkeln av WR 112.

Animation 3: Den här animationen visar hur betraktningsvinkelns inverkan på utseendet av den dammiga spiralen. Först visar ”face-on”-modellen ett helt varv av den dammiga spiralen om den skulle rotera i himmelplanet. Spiralen roteras sedan till den observerade lutningen (i) och rotationsvinkeln (Ω), där den fortsätter med ytterligare ett helt varv. Observera att 3D-spiralens geometri i sig själv är exakt densamma, utan det är bara betraktningsvinkeln som ändrar dess utseende. Credit: Lau et al.

Med den reviderade bilden av WR 112 kunde forskargruppen härleda hur mycket damm detta binära system bildar. ”Spiraler är repetitiva mönster, så eftersom vi förstår hur lång tid det tar att bilda ett helt dammigt spiralsvarv (~20 år) kan vi faktiskt spåra åldern på det damm som produceras av de binära stjärnorna i spiralens centrum”, säger Lau. Han påpekar att ”det finns nybildat stoft i spiralens allra centrala kärna, medan det stoft vi ser som är 4 spiralsvängar bort är ungefär 80 år gammalt. Därför kan vi i princip spåra ett helt människoliv längs den dammiga spiralström som våra observationer avslöjar. Så jag skulle faktiskt på bilderna kunna peka ut det damm som bildades när jag föddes (just nu är det någonstans mellan första och andra spiralvarvet).”

Till deras förvåning upptäckte teamet att WR 112 är en högeffektiv dammfabrik som producerar damm i en takt av 3×10-6 solmassor per år, vilket motsvarar att producera en hel jordmassa damm varje år. Detta var ovanligt med tanke på WR 112:s 20-åriga omloppstid – de mest effektiva stoftproducenterna i den här typen av WR binära stjärnsystem tenderar att ha kortare omloppstider på mindre än ett år som WR 104 med sin 220-dagars period. WR 112 visar därför på mångfalden av WR binära system som effektivt kan bilda stoft och belyser deras potentiella roll som betydande källor till stoft, inte bara i vår galax utan även i galaxer bortom vår egen.

Sist visar dessa resultat på upptäcktspotentialen hos flerepokal mid-IR-avbildning med MIMIZUKU-instrumentet på det kommande Tokyo Atacama Observatory (TAO). Resultaten från den här studien använder framför allt de största observatorierna i världen och lägger grunden för nästa decennium av astronomiska upptäckter med teleskop i 30-m-klassen och det kommande James Webb-rymdteleskopet.

Dessa forskningsresultat har publicerats som Ryan M. Lau et al. ”Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112” den 15 september 2020 i The Astrophysical Journal.

Notiser

Wolf-Rayet (WR)-stjärnor är utvecklade mycket massiva stjärnor som redan har förlorat sitt väterika hölje. Ytan på dessa objekt är rik på tunga grundämnen som kol som produceras av den interna heliumförbränningen. Detta resulterar i att utkast från WR-stjärnor innehåller höga halter av kol och andra tunga grundämnen, i motsats till det väterika material som kastas ut av vanliga evolverade stjärnor och som bildar en stor mängd stoft.