Séquence de 7 images dans l’infrarouge moyen (~10 micromètres) de WR 112 prises entre 2001 – 2019 par Gemini Nord, Gemini Sud, Keck, le Very Large Telescope (VLT) et le Subaru Telescope. La longueur de la ligne blanche sur chaque image correspond à environ 6800 unités astronomiques. Crédit : Lau et al.

Avec près de deux décennies d’imagerie dans l’infrarouge (IR) moyen des plus grands observatoires du monde, dont le télescope Subaru, une équipe d’astronomes a pu capturer le mouvement en spirale de la poussière nouvellement formée s’écoulant du système stellaire binaire massif et évolué Wolf-Rayet (WR) 112. Les systèmes stellaires binaires massifs, ainsi que les explosions de supernova, sont considérés comme des sources de poussière dans l’Univers depuis le début de son histoire, mais le processus de production de la poussière et la quantité de poussière éjectée restent des questions ouvertes. WR 112 est un système binaire composé d’une étoile massive au stade très avancé de l’évolution stellaire perdant une grande quantité de masse et d’une autre étoile massive de la séquence principale. On s’attend à ce que de la poussière se forme dans la région où les vents stellaires de ces deux étoiles entrent en collision. L’étude révèle le mouvement du flux sortant poussiéreux du système et identifie WR 112 comme une usine à poussière très efficace qui produit une masse terrestre entière de poussière chaque année.

L’auteur principal Ryan Lau présente les points saillants des résultats de la recherche. (Crédit : NAOJ et ISAS/JAXA)

La formation de poussière, que l’on observe généralement dans les écoulements doux des étoiles froides ayant une masse similaire à celle du Soleil, est quelque peu inhabituelle dans l’environnement extrême autour des étoiles massives et de leurs vents violents. Cependant, des choses intéressantes se produisent lorsque les vents rapides de deux étoiles massives interagissent.

« Lorsque les deux vents entrent en collision, tout l’enfer se déchaîne, y compris l’émission d’abondants rayons X de gaz choqués, mais aussi la création (surprenante à première vue) d’abondantes quantités de particules de poussière aérosol à base de carbone dans les binaires où l’une des étoiles a évolué vers la combustion de l’hydrogène, qui produit 40 % de C dans leurs vents », explique le co-auteur Anthony Moffat (Université de Montréal). Ce processus de formation de poussière est exactement ce qui se produit dans WR 112.

Ce phénomène de formation de poussière binaire a été révélé dans d’autres systèmes comme WR 104 par le co-auteur Peter Tuthill (Université de Sydney). WR 104, en particulier, révèle une élégante traînée de poussière ressemblant à une  » roue à picots  » qui retrace le mouvement orbital du système stellaire binaire central.

Cependant, la nébuleuse poussiéreuse autour de WR 112 est bien plus complexe qu’un simple motif de roue à picots. Des décennies d’observations à plusieurs longueurs d’onde ont présenté des interprétations contradictoires de l’écoulement poussiéreux et du mouvement orbital de WR 112. Après presque 20 ans d’incertitude sur WR 112, les images de l’instrument COMICS sur le télescope Subaru prises en octobre 2019 ont fourni la pièce finale – et inattendue – du puzzle.

« Nous avons publié une étude en 2017 sur WR 112 qui suggérait que la nébuleuse poussiéreuse ne bougeait pas du tout, alors je pensais que notre observation COMICS confirmerait cela », a expliqué l’auteur principal Ryan Lau (ISAS/JAXA). « À ma grande surprise, l’image COMCIS a révélé que la coquille poussiéreuse avait définitivement bougé depuis la dernière image que nous avons prise avec le VLT en 2016. Cela m’a tellement troublé que je n’ai pas pu dormir après la course d’observation – je n’ai cessé de feuilleter les images jusqu’à ce qu’il s’inscrive finalement dans ma tête que la spirale avait l’air de culbuter vers nous. »

Lau a collaboré avec des chercheurs de l’Université de Sydney, notamment le professeur Peter Tuthill et l’étudiant de premier cycle Yinuo Han, qui sont experts dans la modélisation et l’interprétation du mouvement des spirales poussiéreuses des systèmes binaires comme WR 112. « J’ai partagé les images de WR 112 avec Peter et Yinuo, et ils ont pu produire un modèle préliminaire étonnant qui a confirmé que le courant spiral poussiéreux tourne dans notre direction le long de notre ligne de visée », a déclaré Lau.

Animation 1 : Modèle animé de la nébuleuse spirale de poussière autour de WR 112 (à gauche) et les observations réelles correspondantes (à droite). Le symbole φ sur l’animation du modèle indique la phase orbitale de la binaire centrale, où φ = 0 est au début de son orbite de 20 ans, et φ = 1 est à la fin de son orbite. L’animation s’arrête à chaque phase qui est affichée dans les observations réelles. (Crédit : Lau et al.)

L’animation ci-dessus montre une comparaison entre les modèles de WR 112 créés par l’équipe de recherche et les observations réelles dans l’infrarouge moyen. L’apparence des images du modèle montre un accord remarquable avec les images réelles de WR 112. Les modèles et la série d’observations par imagerie ont révélé que la période de rotation de cette spirale poussiéreuse « en bordure » (et la période orbitale du système binaire central) est de 20 ans.

La différence drastique entre l’apparence « face-on » vs « edge-on », qui a à voir avec notre angle de vue de WR 112, est démontrée dans la figure et les animations ci-dessous.

Figure 2 : Modèle de la nébuleuse WR 112 à partir d’un angle de vue face-on (à gauche) et de l’angle de vue observé (à droite). Les lignes pointillées illustrent le mouvement de l’orbite binaire centrale, où la séparation de la binaire centrale et la taille de chaque étoile ne sont pas représentées à l’échelle. Chaque panneau a sa propre animation d’accompagnement qui montre la révolution de la spirale dans les deux angles de vue. Crédit : Lau et al.

Animation 2a.

Animation 2b.

L’animation ci-dessous aide à visualiser la transition entre le modèle  » face-on  » et l’angle d’observation de WR 112.

Animation 3 : Cette animation montre l’effet de l’angle d’observation sur l’apparence de la spirale poussiéreuse. Tout d’abord, le modèle « face à face » montre une révolution complète de la spirale poussiéreuse si elle tournait dans le plan du ciel. La spirale est ensuite tournée vers l’inclinaison (i) et l’angle de rotation (Ω) observés, où elle effectue une autre révolution complète. Notez que la géométrie de la spirale 3D elle-même est exactement la même, mais c’est seulement l’angle de vue qui change son apparence. Crédit : Lau et al.

Avec l’image révisée de WR 112, l’équipe de recherche a pu déduire la quantité de poussière que ce système binaire forme. « Les spirales sont des modèles répétitifs, donc depuis que nous comprenons le temps nécessaire pour former un tour complet de spirale poussiéreuse (~20 ans), nous pouvons en fait retracer l’âge de la poussière produite par les étoiles binaires au centre de la spirale », explique Lau. Il souligne qu' »il y a de la poussière fraîchement formée au centre de la spirale, alors que la poussière que nous voyons à 4 tours de spirale a environ 80 ans. Par conséquent, nous pouvons essentiellement retracer une vie humaine entière le long du courant spiral poussiéreux révélé par nos observations. Je pourrais donc repérer sur les images la poussière qui s’est formée lorsque je suis né (actuellement, elle se trouve quelque part entre le premier et le deuxième tour de spirale). »

À leur grande surprise, l’équipe a découvert que WR 112 est une usine à poussière très efficace qui produit de la poussière à un taux de 3×10-6 masse solaire par an, ce qui équivaut à produire une masse terrestre entière de poussière chaque année. Ceci est inhabituel étant donné la période orbitale de 20 ans de WR 112 – les producteurs de poussière les plus efficaces dans ce type de système stellaire binaire WR ont tendance à avoir des périodes orbitales plus courtes, inférieures à un an, comme WR 104 avec sa période de 220 jours. WR 112 démontre donc la diversité des systèmes binaires WR capables de former efficacement de la poussière et met en évidence leur rôle potentiel en tant que sources importantes de poussière non seulement dans notre Galaxie mais aussi dans des galaxies au-delà de la nôtre.

Enfin, ces résultats démontrent le potentiel de découverte de l’imagerie multi-époques dans l’infrarouge moyen avec l’instrument MIMIZUKU sur le futur Observatoire de Tokyo Atacama (TAO). Les résultats dans l’IR moyen de cette étude utilisent notamment les plus grands observatoires du monde et préparent le terrain pour la prochaine décennie de découvertes astronomiques avec les télescopes de classe 30 m et le futur télescope spatial James Webb.

Ces résultats de recherche ont été publiés sous le titre Ryan M. Lau et al. « Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112 » le 15 septembre 2020 dans The Astrophysical Journal.

Notes

Les étoiles Wolf-Rayet (WR) sont des étoiles très massives évoluées qui ont déjà perdu leur enveloppe riche en hydrogène. La surface de ces objets est riche en éléments lourds comme le carbone produit par le processus interne de combustion de l’hélium. Il en résulte que les éjectas des étoiles WR comprennent des fractions élevées de carbone et d’autres éléments lourds, contrairement au matériau riche en hydrogène éjecté par les étoiles évoluées habituelles, formant une grande quantité de poussière.