2001年から2019年にかけてジェミニ北、ジェミニ南、ケック、VLT（超大型望遠鏡）、すばる望遠鏡によって撮影されたWR 112の中赤外線（～10マイクロメートル）の7枚連続画像です。 各画像の白線の長さは、約6800天文単位に相当する。 Credit: Lau et al.

すばる望遠鏡を含む世界最大の観測所による約20年にわたる中間赤外線画像から、大質量・進化した連星系である狼・彗星 (WR) 112から流れ出る新しいダストの渦巻き運動をとらえることに成功しました。 大質量連星系や超新星爆発は、宇宙初期からのダストの供給源と考えられていますが、ダストの生成過程や放出されるダストの量については、まだ未解決の問題が残っています。 WR112は、大量の質量を失った恒星進化の後期にある大質量星と、主系列にあるもう一つの大質量星からなる連星系です。 この2つの星からの恒星風が衝突している領域で、ダストが生成されると予想されています。 今回の研究では、この星系から流出するダストの動きを明らかにし、WR112が毎年地球1個分のダストを生み出す高効率のダスト工場であることを突き止めました。

主著者のライアン・ラウ氏は、研究成果のハイライトを紹介しています。 (出典：国立天文台、宇宙科学研究所/JAXA)

塵の形成は、通常、太陽程度の質量を持つ冷たい星からの穏やかな流出で見られますが、巨大星とその激しい風の周りの極限環境ではやや珍しいことです。 しかし、連星中の2つの大質量星の高速風が相互作用すると、興味深いことが起こります。

「2つの風が衝突すると、大量の衝撃ガスX線の放出だけでなく、連星の1つがヘリウム燃焼に進化し、その風で40%の炭素を生成している場合には、（一見すると驚くべき）多量の炭素ベースのエアロゾルダストが発生するなど、あらゆる地獄が解放されます」共著者のアンソニー モファット（モントリオール大学）は述べています。 5101>

この連星塵の形成現象は、共著者のピーター・タチル（シドニー大学）により、WR104などの他の星系でも明らかにされています。 特にWR104では、中心の連星系の軌道運動をトレースする「ピンホイール」のようなダストのエレガントな痕跡が見られます。 数十年にわたる多波長観測により、WR112の塵の流出と軌道運動について、相反する解釈が示されました。 WR 112の約20年の不確実性の後、2019年10月に撮影されたすばる望遠鏡のCOMICS装置からの画像は、パズルの最後の、そして予想外のピースを提供しました

「我々は2017年にWR 112の研究を発表し、塵のような星雲が全く動いていないことを示唆したので、私はCOMICS観測がこれを確認すると思いました」と主執筆者Ryan Lau（ISAS/JAXA）は説明しました。 “驚いたことに、COMCISの画像は、2016年にVLTで撮影した最後の画像から、塵の殻が確かに動いていることを明らかにしました。 私は、この渦巻きが私たちに向かって転がってきているように見えることを最終的に頭に叩き込むまで、画像をめくり続けました」

ラウ氏は、WR 112のような連星系の塵の渦巻きの動きをモデリングし解釈する専門家である、シドニー大学のピーター・テューチル教授と学部生のイヌオ・ハンの研究者と協力しました。 「WR 112 の画像を Peter と Yinuo と共有したところ、彼らは驚くべき予備モデルを作成することができ、塵の渦巻きの流れが我々の視線に沿って我々の方向に回転していることが確認できました」と Lau 氏は語りました。 アニメーションのφマークは中心連星の軌道位相で、φ=0が20年の軌道の始まり、φ=1が軌道の終わりであることを表しています。 アニメーションは、実際の観測で表示される各フェーズで一時停止します。 (出典：Lau et al.)

上のアニメーションは、研究チームが作成したWR112のモデルと、実際の中間赤外線の観測結果を比較したものです。 モデル画像の見た目は、実際のWR112の画像と驚くほど一致しています。 このモデルと一連の撮像観測から、この塵の多い「エッジオン」渦巻きの自転周期 (および中心連星系の公転周期) が20年であることが明らかになりました。

図2: WR112星雲の正面から見たモデル（左）と、観測した角度から見たモデル（右）。 破線は中心連星軌道の動きを示しており、中心連星の分離と各星の大きさは縮尺を変えて示していない。 各パネルには、両方の視野角における渦巻きの回転を示すアニメーションが添付されている。 Credit: Lau et al.

Animation 2a.

Animation 2b.

WR 112の正面から見た状態と観測した状態のアニメーションを見ると、以下のように変化していることがわかるでしょう。 まず、”正面 “のモデルで、塵の渦巻きが空の平面で回転している場合の一回転を表示します。 次に、観測された傾斜角 (i) と回転角 (Ω) に回転させ、さらに1回転させたものを表示します。 渦巻きの形状は全く同じですが、見る角度によって見え方が変わることに注意してください。 Credit: Lau et al.

WR 112 の修正された画像により、研究チームはこの連星系がどれほどの塵を形成しているのかを推測することができました。 「渦巻きは繰り返しのパターンなので、塵の多い渦巻きの1回転にかかる時間（〜20年）がわかると、渦巻きの中心にある連星が作り出した塵の年代を実際に追跡することができます」とラウさんは話します。 渦巻きの中心部にはできたばかりの塵があり、渦巻き4周分の塵は約80年前のものです」とラウさんは指摘します。 ですから、今回の観測で明らかになった塵の渦巻きの流れに沿って、人間の一生をたどることができるのです。 そのため、私が生まれた頃（今は、1回転目と2回転目の間のどこか）にできたダストを、画像上で実際に特定することができました」

研究チームが驚いたのは、WR112が、1年に3×10-6太陽質量、つまり地球1個分のダストを毎年生産している非常に効率の良いダスト工場であることでした。 このような連星系では、WR104の220日のように軌道周期が1年未満と短くなりがちですが、WR112の20年という軌道周期は異例です。 このように、WR112はダストを効率よく生成できるWR連星系の多様性を示すとともに、我々の銀河系だけでなく、我々の銀河系以外の銀河でもダストの重要な供給源となる可能性を示しています。 この研究成果は、世界最大の天文台を活用し、30m級望遠鏡や次期ジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡による次の10年の天文学的発見への布石を打つものです。 Lau et al. “Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112” on September 15, 2020 in The Astrophysical Journal.

Notes

Wolf-Rayet (WR) stars are evolved very massive stars that have already lost their hydrogen-rich envelope.

オオカミ星は、すでに水素に富んだエンベロープを失った進化した星です。 この天体の表面は、内部でヘリウムが燃焼する過程で生成された炭素などの重元素に富んでいます。 このため、通常の進化した星が放出する水素に富む物質とは対照的に、WR星からの放出物には炭素などの重元素が多く含まれ、大量の塵が形成される

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