Sequenza di 7 immagini mid-IR (~10 micrometri) di WR 112 prese tra il 2001 – 2019 da Gemini North, Gemini South, Keck, il Very Large Telescope (VLT), e il telescopio Subaru. La lunghezza della linea bianca su ogni immagine corrisponde a circa 6800 unità astronomiche. Credit: Lau et al.

Con quasi due decenni di immagini nel medio infrarosso (IR) dai più grandi osservatori di tutto il mondo, compreso il telescopio Subaru, un team di astronomi è stato in grado di catturare il movimento a spirale della polvere appena formata che scorre dal massiccio ed evoluto sistema stellare binario Wolf-Rayet (WR) 112. I sistemi stellari binari massicci, così come le esplosioni di supernova, sono considerati fonti di polvere nell’Universo fin dalla sua storia iniziale, ma il processo di produzione della polvere e la quantità di polvere espulsa sono ancora questioni aperte. WR 112 è un sistema binario composto da una stella massiccia nella fase molto avanzata dell’evoluzione stellare che perde una grande quantità di massa e un’altra stella massiccia nella sequenza principale. Ci si aspetta che la polvere si formi nella regione in cui i venti stellari di queste due stelle si scontrano. Lo studio rivela il movimento del flusso di polvere in uscita dal sistema e identifica WR 112 come una fabbrica di polvere altamente efficiente che produce un’intera massa terrestre di polvere ogni anno.

L’autore principale Ryan Lau introduce i punti salienti dei risultati della ricerca. (Credit: NAOJ e ISAS/JAXA)

La formazione di polvere, che è tipicamente vista nei dolci flussi in uscita dalle stelle fredde con una massa simile a quella del Sole, è in qualche modo insolita nell’ambiente estremo intorno alle stelle massicce e ai loro venti violenti. Tuttavia, cose interessanti accadono quando i venti veloci di due stelle massicce in una binaria interagiscono.

“Quando i due venti si scontrano, si scatena l’inferno, compreso il rilascio di copiosi raggi X di gas d’urto, ma anche la (a prima vista sorprendente) creazione di copiose quantità di particelle di polvere aerosol a base di carbonio in quelle binarie in cui una delle stelle si è evoluta alla combustione di He, che produce il 40% di C nei loro venti”, dice il coautore Anthony Moffat (Università di Montreal). Questo processo di formazione di polvere è esattamente quello che si sta verificando in WR 112.

Questo fenomeno di formazione di polvere binaria è stato rivelato in altri sistemi come WR 104 dal coautore Peter Tuthill (Università di Sydney). WR 104, in particolare, rivela un’elegante scia di polvere simile a una “girandola” che traccia il moto orbitale del sistema stellare binario centrale.

Tuttavia, la nebulosa di polvere intorno a WR 112 è molto più complessa di una semplice girandola. Decenni di osservazioni a più lunghezze d’onda hanno presentato interpretazioni contrastanti del flusso polveroso e del moto orbitale di WR 112. Dopo quasi 20 anni di incertezza su WR 112, le immagini dello strumento COMICS sul Subaru Telescope prese nell’ottobre 2019 hanno fornito l’ultimo – e inaspettato – pezzo del puzzle.

“Abbiamo pubblicato uno studio nel 2017 su WR 112 che suggeriva che la nebulosa polverosa non si muoveva affatto, quindi ho pensato che la nostra osservazione COMICS avrebbe confermato questo”, ha spiegato l’autore principale Ryan Lau (ISAS/JAXA). “Con mia sorpresa, l’immagine COMCIS ha rivelato che il guscio polveroso si era decisamente spostato dall’ultima immagine che abbiamo scattato con il VLT nel 2016. Mi ha confuso così tanto che non riuscivo a dormire dopo la corsa di osservazione – ho continuato a sfogliare le immagini fino a quando alla fine ho registrato nella mia testa che la spirale sembrava che stesse ruzzolando verso di noi.”

Lau ha collaborato con i ricercatori dell’Università di Sydney tra cui il Prof. Peter Tuthill e il laureando Yinuo Han, che sono esperti nella modellazione e interpretazione del movimento delle spirali polverose di sistemi binari come WR 112. “Ho condiviso le immagini di WR 112 con Peter e Yinuo, e sono stati in grado di produrre un modello preliminare sorprendente che ha confermato che il flusso di spirale polverosa sta girando nella nostra direzione lungo la nostra linea di vista”, ha detto Lau.

Animazione 1: Modello animato della nebulosa di polvere a spirale intorno a WR 112 (a sinistra) e le osservazioni reali corrispondenti (a destra). Il simbolo φ sull’animazione del modello indica la fase orbitale della binaria centrale, dove φ = 0 è all’inizio della sua orbita di 20 anni, e φ = 1 è alla fine della sua orbita. L’animazione fa una pausa ad ogni fase che viene visualizzata nelle osservazioni reali. (Credit: Lau et al.)

L’animazione qui sopra mostra un confronto tra i modelli di WR 112 creati dal team di ricerca accanto alle osservazioni reali mid-IR. L’aspetto delle immagini dei modelli mostra un notevole accordo con le immagini reali di WR 112. I modelli e la serie di osservazioni di imaging hanno rivelato che il periodo di rotazione di questa spirale polverosa “edge-on” (e il periodo orbitale del sistema binario centrale) è di 20 anni.

La drastica differenza tra l’aspetto “face-on” e “edge-on”, che ha a che fare con il nostro angolo di osservazione di WR 112, è dimostrata nella figura e nelle animazioni seguenti.

Figura 2: Modello della nebulosa WR 112 da un angolo di osservazione face-on (sinistra) e dall’angolo di osservazione osservato (destra). Le linee tratteggiate illustrano il movimento dell’orbita della binaria centrale, dove la separazione della binaria centrale e le dimensioni di ogni stella non sono mostrate in scala. Ogni pannello ha la sua animazione di accompagnamento che mostra la rivoluzione della spirale in entrambi gli angoli di osservazione. Credito: Lau et al.

Animazione 2a.

Animazione 2b.

L’animazione qui sotto aiuta a visualizzare la transizione dall’angolo di osservazione frontale a quello osservato di WR 112.

Animazione 3: Questa animazione mostra l’effetto dell’angolo di osservazione sull’aspetto della spirale di polvere. Per prima cosa, il modello “face-on” mostra un giro completo della spirale polverosa se stesse ruotando nel piano del cielo. La spirale viene poi ruotata all’inclinazione (i) e all’angolo di rotazione (Ω) osservati, dove procede con un’altra rivoluzione completa. Si noti che la geometria della spirale 3D è esattamente la stessa, ma è solo l’angolo di osservazione che cambia il suo aspetto. Credit: Lau et al.

Con l’immagine rivista di WR 112, il team di ricerca è stato in grado di dedurre quanta polvere sta formando questo sistema binario. “Le spirali sono modelli ripetitivi, quindi dal momento che capiamo quanto tempo ci vuole per formare un giro completo di spirale polverosa (~ 20 anni), possiamo effettivamente tracciare l’età della polvere prodotta dalle stelle binarie al centro della spirale”, dice Lau. Egli sottolinea che “c’è polvere appena formata nel nucleo centrale della spirale, mentre la polvere che vediamo a 4 giri di spirale è vecchia di circa 80 anni. Pertanto, possiamo essenzialmente tracciare un’intera vita umana lungo il flusso di polvere della spirale rivelato dalle nostre osservazioni. Così potrei effettivamente individuare sulle immagini la polvere che si è formata quando sono nato (in questo momento, è da qualche parte tra il primo e il secondo giro di spirale).”

Con loro sorpresa, il team ha trovato WR 112 è una fabbrica di polvere altamente efficiente che produce polvere ad un tasso di 3×10-6 massa solare all’anno, che è equivalente a produrre un’intera massa terrestre di polvere ogni anno. Questo era insolito dato il periodo orbitale di WR 112 di 20 anni – i più efficienti produttori di polvere in questo tipo di sistema stellare binario WR tendono ad avere periodi orbitali più brevi di un anno come WR 104 con il suo periodo di 220 giorni. WR 112 dimostra quindi la diversità dei sistemi binari WR che sono in grado di formare efficientemente la polvere e mette in evidenza il loro ruolo potenziale come fonti significative di polvere non solo nella nostra Galassia ma nelle galassie oltre la nostra.

Infine, questi risultati dimostrano il potenziale di scoperta dell’imaging multi-epoch mid-IR con lo strumento MIMIZUKU sul prossimo Tokyo Atacama Observatory (TAO). I risultati mid-IR di questo studio utilizzano in particolare i più grandi osservatori del mondo e pongono le basi per il prossimo decennio di scoperte astronomiche con telescopi di classe 30-m e il prossimo James Webb Space Telescope.

Questi risultati di ricerca sono stati pubblicati come Ryan M. Lau et al. “Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112” il 15 settembre 2020 su The Astrophysical Journal.

Note

Le stelle Wolf-Rayet (WR) sono stelle molto massicce evolute che hanno già perso il loro involucro ricco di idrogeno. La superficie di questi oggetti è ricca di elementi pesanti come il carbonio prodotto dal processo di combustione interna dell’elio. Questo fa sì che l’ejecta delle stelle WR includa alte frazioni di carbonio e altri elementi pesanti, in contrasto con il materiale ricco di idrogeno espulso dalle normali stelle evolute, formando una grande quantità di polvere.