Secuencia de 7 imágenes en el infrarrojo medio (~10 micrómetros) de WR 112 tomadas entre 2001 y 2019 por Gemini Norte, Gemini Sur, Keck, el Very Large Telescope (VLT) y el telescopio Subaru. La longitud de la línea blanca en cada imagen corresponde a unas 6800 unidades astronómicas. Crédito: Lau et al.

Con casi dos décadas de imágenes en el infrarrojo medio (IR) procedentes de los mayores observatorios del mundo, incluido el Telescopio Subaru, un equipo de astrónomos pudo captar el movimiento espiral del polvo recién formado que sale del sistema estelar binario masivo y evolucionado Wolf-Rayet (WR) 112. Los sistemas estelares binarios masivos, así como las explosiones de supernovas, se consideran fuentes de polvo en el Universo desde su historia temprana, pero el proceso de producción de polvo y la cantidad de polvo expulsado siguen siendo cuestiones abiertas. WR 112 es un sistema binario compuesto por una estrella masiva en la última etapa de la evolución estelar que pierde una gran cantidad de masa y otra estrella masiva en la secuencia principal. Se espera que el polvo se forme en la región donde chocan los vientos estelares de estas dos estrellas. El estudio revela el movimiento del flujo de salida de polvo del sistema e identifica a WR 112 como una fábrica de polvo muy eficiente que produce toda una masa terrestre de polvo cada año.

El autor principal, Ryan Lau, presenta los aspectos más destacados de los resultados de la investigación. (Crédito: NAOJ e ISAS/JAXA)

La formación de polvo, que suele verse en los suaves flujos de salida de las estrellas frías con una masa similar a la del Sol, es algo inusual en el entorno extremo que rodea a las estrellas masivas y sus violentos vientos. Sin embargo, ocurren cosas interesantes cuando los vientos rápidos de dos estrellas masivas en una binaria interactúan.

«Cuando los dos vientos chocan, se desata todo el infierno, incluyendo la liberación de copiosos rayos X de gas de choque, pero también la creación (a primera vista sorprendente) de copiosas cantidades de partículas de polvo en forma de aerosol basadas en el carbono en aquellas binarias en las que una de las estrellas ha evolucionado a la combustión de He, que produce un 40% de C en sus vientos», dice el coautor Anthony Moffat (Universidad de Montreal). Este proceso de formación de polvo es exactamente lo que está ocurriendo en WR 112.

Este fenómeno de formación de polvo en binarias ha sido revelado en otros sistemas como WR 104 por el coautor Peter Tuthill (Universidad de Sydney). WR 104, en particular, revela una elegante estela de polvo que se asemeja a un «molinete» que traza el movimiento orbital del sistema estelar binario central.

Sin embargo, la nebulosa de polvo alrededor de WR 112 es mucho más compleja que un simple patrón de molinete. Décadas de observaciones en múltiples longitudes de onda presentaron interpretaciones contradictorias sobre el flujo de polvo y el movimiento orbital de WR 112. Después de casi 20 años de incertidumbre sobre WR 112, las imágenes del instrumento COMICS en el telescopio Subaru tomadas en octubre de 2019 proporcionaron la pieza final -e inesperada- del rompecabezas.

«Publicamos un estudio en 2017 sobre WR 112 que sugería que la nebulosa polvorienta no se movía en absoluto, así que pensé que nuestra observación COMICS lo confirmaría», explicó el autor principal Ryan Lau (ISAS/JAXA). «Para mi sorpresa, la imagen de COMCIS reveló que la cáscara polvorienta se había movido definitivamente desde la última imagen que tomamos con el VLT en 2016. Me confundió tanto que no pude dormir después de la observación; no paré de hojear las imágenes hasta que finalmente me di cuenta de que la espiral parecía estar cayendo hacia nosotros».

Lau colaboró con investigadores de la Universidad de Sídney, como el profesor Peter Tuthill y el estudiante Yinuo Han, que son expertos en modelar e interpretar el movimiento de las espirales de polvo de sistemas binarios como WR 112. «Compartí las imágenes de WR 112 con Peter y Yinuo, y fueron capaces de producir un sorprendente modelo preliminar que confirmó que la corriente espiral polvorienta está girando en nuestra dirección a lo largo de nuestra línea de visión», dijo Lau.

Animación 1: Modelo animado de la nebulosa espiral de polvo alrededor de WR 112 (izquierda) y las observaciones reales correspondientes (derecha). El símbolo φ en la animación del modelo indica la fase orbital de la binaria central, donde φ = 0 está al principio de su órbita de 20 años, y φ = 1 está al final de su órbita. La animación se detiene en cada fase que aparece en las observaciones reales. (Crédito: Lau et al.)

La animación anterior muestra una comparación entre los modelos de WR 112 creados por el equipo de investigación junto con las observaciones reales en el infrarrojo medio. El aspecto de las imágenes del modelo muestra una notable concordancia con las imágenes reales de WR 112. Los modelos y la serie de observaciones de imágenes revelaron que el período de rotación de esta espiral polvorienta «de canto» (y el período orbital del sistema binario central) es de 20 años.

La drástica diferencia entre el aspecto «de cara» y el «de canto», que tiene que ver con nuestro ángulo de visión de WR 112, se demuestra en la figura y las animaciones siguientes.

Figura 2: Modelo de la nebulosa WR 112 desde un ángulo de visión de cara (izquierda) y el ángulo de visión observado (derecha). Las líneas discontinuas ilustran el movimiento de la órbita de la binaria central, donde la separación de la binaria central y el tamaño de cada estrella no se muestran a escala. Cada panel tiene su propia animación adjunta que muestra la revolución de la espiral en ambos ángulos de visión. Crédito: Lau et al.

Animación 2a.

Animación 2b.

La siguiente animación ayuda a visualizar la transición desde el ángulo de visión «cara a cara» al observado de WR 112.

Animación 3: Esta animación muestra el efecto del ángulo de visión en la apariencia de la espiral polvorienta. En primer lugar, el modelo «cara a cara» muestra una revolución completa de la espiral polvorienta si estuviera girando en el plano del cielo. A continuación, se gira la espiral hasta la inclinación (i) y el ángulo de rotación (Ω) observados, donde se produce otra revolución completa. Obsérvese que la geometría de la espiral en 3D es exactamente la misma, pero es sólo el ángulo de visión el que cambia su apariencia. Crédito: Lau et al.

Con la imagen revisada de WR 112, el equipo de investigación pudo deducir cuánto polvo está formando este sistema binario. «Las espirales son patrones repetitivos, así que desde que entendemos cuánto tiempo se necesita para formar una vuelta completa de espiral polvorienta (~20 años), podemos realmente trazar la edad del polvo producido por las estrellas binarias en el centro de la espiral», dice Lau. Señala que «hay polvo recién formado en el núcleo central de la espiral, mientras que el polvo que vemos a 4 vueltas de espiral tiene unos 80 años. Por lo tanto, podemos trazar esencialmente toda una vida humana a lo largo de la corriente espiral polvorienta revelada en nuestras observaciones. Así que podría señalar en las imágenes el polvo que se formó cuando yo nací (en este momento, está en algún lugar entre la primera y la segunda vuelta espiral)»

Para su sorpresa, el equipo descubrió que WR 112 es una fábrica de polvo muy eficiente que produce polvo a un ritmo de 3×10-6 masas solares por año, lo que equivale a producir una masa entera de polvo de la Tierra cada año. Esto es inusual dado el período orbital de 20 años de WR 112 -los productores de polvo más eficientes en este tipo de sistemas estelares binarios WR tienden a tener períodos orbitales más cortos, inferiores a un año, como WR 104 con su período de 220 días. Por lo tanto, WR 112 demuestra la diversidad de sistemas binarios WR que son capaces de formar polvo de manera eficiente y destaca su papel potencial como fuentes significativas de polvo no sólo en nuestra galaxia, sino también en galaxias más allá de la nuestra.

Por último, estos resultados demuestran el potencial de descubrimiento de imágenes multi-epocales en el infrarrojo medio con el instrumento MIMIZUKU en el próximo Observatorio de Atacama de Tokio (TAO). Los resultados en el infrarrojo medio de este estudio utilizan notablemente los mayores observatorios del mundo y preparan el terreno para la próxima década de descubrimientos astronómicos con telescopios de 30 m y el próximo telescopio espacial James Webb.

Estos resultados de investigación se publicaron como Ryan M. Lau et al. «Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112» el 15 de septiembre de 2020 en The Astrophysical Journal.

Notas

Las estrellas Wolf-Rayet (WR) son estrellas muy masivas evolucionadas que ya han perdido su envoltura rica en hidrógeno. La superficie de estos objetos es rica en elementos pesados como el carbono, producidos por el proceso de combustión interna del helio. Esto hace que los eyectos de las estrellas WR incluyan altas fracciones de carbono y otros elementos pesados, en contraste con el material rico en hidrógeno que expulsan las estrellas evolucionadas habituales, formando una gran cantidad de polvo.