A WR 112-ről 2001 és 2019 között a Gemini North, Gemini South, Keck, a Very Large Telescope (VLT) és a Subaru Telescope által készített 7 közép-IR (~10 mikrométer) képsorozat. A fehér vonal hossza minden képen kb. 6800 csillagászati egységnek felel meg. Credit: Lau et al.

A világ legnagyobb obszervatóriumainak, köztük a Subaru Teleszkópnak közel két évtizedes közép-infravörös (IR) képalkotásával egy csillagászcsoportnak sikerült megörökítenie a Wolf-Rayet (WR) 112 masszív és fejlett kettőscsillagrendszerből kiáramló, újonnan keletkezett por spirális mozgását. A masszív kettős csillagrendszereket, valamint a szupernóva-robbanásokat az Univerzum korai történetétől kezdve porforrásnak tekintik, de a por keletkezésének folyamata és a kidobott por mennyisége még mindig nyitott kérdés. A WR 112 egy kettős rendszer, amely egy, a csillagfejlődés nagyon késői szakaszában lévő, nagy mennyiségű tömeget vesztő nagy tömegű csillagból és egy másik, a fősorozatban lévő nagy tömegű csillagból áll. A por várhatóan abban a régióban keletkezik, ahol a két csillag csillag csillagszele összeütközik. A tanulmány feltárja a rendszerből kiáramló por mozgását, és a WR 112-t egy rendkívül hatékony porgyárként azonosítja, amely évente egy teljes földi tömegnyi port termel.

A vezető szerző, Ryan Lau bemutatja a kutatási eredmények főbb pontjait. (Credit: NAOJ and ISAS/JAXA)

A porképződés, amely jellemzően a Naphoz hasonló tömegű hűvös csillagok szelíd kiáramlásaiban figyelhető meg, némileg szokatlan a masszív csillagok körüli extrém környezetben és azok heves szeleiben. Érdekes dolgok történnek azonban, amikor két nagy tömegű csillag gyors szele egy kettőscsillagban kölcsönhatásba lép.

“Amikor a két szél összeütközik, elszabadul a pokol, beleértve a bőséges sokkolt gáz röntgensugárzás kibocsátását, de (elsőre meglepő) bőséges mennyiségű szénalapú aeroszolpor részecskék keletkezését is azokban a kettőscsillagokban, amelyekben az egyik csillag He-égésre fejlődött, ami 40% C-t termel a szélben” – mondja Anthony Moffat (University of Montreal) társszerző. Pontosan ez a porképződési folyamat zajlik a WR 112-ben.

Ezt a kettős porképződési jelenséget más rendszerekben, például a WR 104-ben is kimutatta Peter Tuthill társszerző (University of Sydney). A WR 104 különösen egy elegáns, “tűkerékre” emlékeztető pornyomot mutat, amely a központi kettős csillagrendszer keringési mozgását követi.

A WR 112 körüli poros köd azonban sokkal összetettebb, mint egy egyszerű tűkerék-mintázat. Több évtizedes, több hullámhosszú megfigyelések ellentmondásos értelmezéseket mutattak be a WR 112 poros kiáramlásáról és keringési mozgásáról. Közel 20 év bizonytalanság után a WR 112-vel kapcsolatban a Subaru teleszkóp COMICS műszerének 2019 októberében készült felvételei adták meg a rejtvény utolsó – és váratlan – darabját.

“2017-ben publikáltunk egy tanulmányt a WR 112-ről, amely szerint a poros köd egyáltalán nem mozog, ezért azt gondoltam, hogy a COMICS megfigyelésünk ezt megerősíti” – magyarázta a vezető szerző Ryan Lau (ISAS/JAXA). “Meglepetésemre a COMCIS-felvételen kiderült, hogy a poros ködhéj határozottan megmozdult a VLT-vel 2016-ban készített utolsó képünk óta. Ez annyira összezavart, hogy a megfigyelés után nem tudtam aludni – addig lapozgattam a képeket, amíg végül rögzült a fejemben, hogy a spirál mintha felénk bukdácsolna.”

Lau együttműködött a Sydney-i Egyetem kutatóival, köztük Peter Tuthill professzorral és Yinuo Han egyetemi hallgatóval, akik a WR 112-hez hasonló kettős rendszerekből származó poros spirálok mozgásának modellezésében és értelmezésében jártasak. “Megosztottam a WR 112-ről készült képeket Peterrel és Yinuóval, és ők egy elképesztő előzetes modellt tudtak készíteni, amely megerősítette, hogy a poros spirálfolyam a látóirányunk mentén a mi irányunkba forog” – mondta Lau.

1. kép: A WR 112 körüli spirális porköd animált modellje (balra) és a tényleges megfelelő megfigyelések (jobbra). A modellanimáción a φ szimbólum a központi kettős csillag keringési fázisát jelzi, ahol φ = 0 a 20 éves pálya kezdetén, φ = 1 pedig a pálya végén van. Az animáció minden olyan fázisnál megáll, amely a valós megfigyelésekben is megjelenik. (Credit: Lau et al.)

A fenti animáció a WR 112-ről a kutatócsoport által készített modellek és a valós közép-IR megfigyelések összehasonlítását mutatja. A modellképek megjelenése figyelemre méltó egyezést mutat a WR 112 valós képeivel. A modellek és a képalkotó megfigyeléssorozat kimutatta, hogy ennek a poros “edge-on” spirálnak a forgási periódusa (és a központi kettős rendszer keringési ideje) 20 év.

A “face-on” vs. “edge-on” megjelenés közötti drasztikus különbséget, amely a WR 112-ről való látószögünkkel függ össze, az alábbi ábra és animációk mutatják.

2. ábra: A WR 112 köd modellje face-on látószögből (balra) és a megfigyelt látószögből (jobbra). A szaggatott vonalak a központi kettőscsillag pályájának mozgását szemléltetik, ahol a központi kettőscsillag szeparációja és az egyes csillagok mérete nem méretarányosan van ábrázolva. Mindegyik panelhez saját kísérő animáció tartozik, amely a spirál forgását mutatja mindkét látószögben. Credit: Lau et al.

Animáció 2a.

Animáció 2b.

Az alábbi animáció segít szemléltetni az átmenetet a WR 112 szemszögéből a megfigyelt látószögbe.

Animáció 3: Ez az animáció a látószög hatását mutatja a poros spirál megjelenésére. Először a “face-on” modell mutatja a poros spirál egy teljes fordulatát, ha az égbolt síkjában forogna. Ezután a spirált a megfigyelt dőlésszögre (i) és forgásszögre (Ω) forgatjuk, ahol egy újabb teljes fordulatot tesz meg. Vegyük észre, hogy maga a 3D-s spirál geometriája pontosan ugyanaz, csak a látószög változtatja meg a megjelenését. Credit: Lau et al.

A WR 112 módosított képével a kutatócsoport képes volt következtetni arra, hogy mennyi por képződik ebben a kettős rendszerben. “A spirálok ismétlődő mintázatok, így mivel tudjuk, mennyi időbe telik egy teljes poros spirálfordulat kialakulása (~20 év), tulajdonképpen nyomon tudjuk követni a spirál középpontjában lévő kettőscsillagok által termelt por korát” – mondja Lau. Rámutat, hogy “a spirál legközpontibb magjában frissen képződött por van, míg az a por, amit 4 spirálfordulatnyira látunk, körülbelül 80 éves. Ezért lényegében egy teljes emberöltőt végigkövethetünk a megfigyeléseinkben feltárt poros spirálfolyam mentén. Tehát a képeken tulajdonképpen pontosan meg tudnám határozni azt a port, amely akkor keletkezett, amikor én születtem (jelenleg valahol az első és a második spirálforduló között van).”

A csapat meglepetésére a WR 112 egy rendkívül hatékony porgyárnak bizonyult, amely évente 3×10-6 naptömegnyi port bocsát ki, ami megfelel egy egész földi tömegnyi por éves termelésének. Ez szokatlan volt a WR 112 20 éves keringési idejét tekintve – az ilyen típusú WR kettős csillagrendszerek leghatékonyabb portermelői általában rövidebb, egy évnél rövidebb keringési időszakkal rendelkeznek, mint például a WR 104 a maga 220 napos periódusával. A WR 112 tehát a hatékony porképzésre képes WR kettős csillagrendszerek sokféleségét mutatja be, és kiemeli potenciális szerepüket, mint jelentős porforrást nem csak a mi galaxisunkban, hanem a sajátunkon kívüli galaxisokban is.

Végezetül ezek az eredmények a Tokyo Atacama Observatory (TAO) készülő MIMIZUKU műszerrel történő többepochás közép-IR képalkotás felfedezési lehetőségeit mutatják be. E tanulmány közép-IR eredményei nevezetesen a világ legnagyobb obszervatóriumait használják ki, és előkészítik a következő évtized csillagászati felfedezéseit a 30 m-es osztályú teleszkópokkal és a közelgő James Webb űrteleszkóppal.

Ezek a kutatási eredmények a Ryan M. Lau et al. “Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112” címmel 2020. szeptember 15-én a The Astrophysical Journal című folyóiratban.

Jegyzetek

A Wolf-Rayet (WR) csillagok olyan kifejlődött, nagyon masszív csillagok, amelyek már elvesztették hidrogénben gazdag burokjukat. Ezeknek az objektumoknak a felszíne gazdag nehéz elemekben, például szénben, amely a belső hélium égési folyamat során keletkezik. Ez azt eredményezi, hogy a WR csillagok kilövellése nagy arányban tartalmaz szenet és más nehéz elemeket, ellentétben a szokásos fejlett csillagok által kilövellt hidrogénben gazdag anyaggal, nagy mennyiségű port képezve.