Reeks van 7 mid-IR (~10 micrometer) beelden van WR 112, genomen tussen 2001 – 2019 door Gemini North, Gemini South, Keck, de Very Large Telescope (VLT), en de Subaru Telescope. De lengte van de witte lijn op elke afbeelding komt overeen met ongeveer 6800 astronomische eenheden. Credit: Lau et al.

Met bijna twee decennia van mid-infrarood (IR) beeldvorming van de grootste observatoria over de hele wereld, waaronder de Subaru Telescoop, was een team van astronomen in staat om de spiraalvormige beweging van nieuw gevormd stof vast te leggen dat afkomstig is van het massieve en geëvolueerde dubbelstersysteem Wolf-Rayet (WR) 112. Massieve dubbelstersystemen en supernova-explosies worden beschouwd als bronnen van stof in het heelal vanaf het begin van zijn geschiedenis, maar het proces van stofproductie en de hoeveelheid uitgestoten stof zijn nog steeds open vragen. WR 112 is een dubbelstersysteem, bestaande uit een zware ster in een zeer laat stadium van sterevolutie, die een grote hoeveelheid massa verliest, en een andere zware ster op de hoofdreeks. Er wordt verwacht dat stof wordt gevormd in het gebied waar de stellaire winden van deze twee sterren op elkaar botsen. De studie onthult de beweging van de stoffige uitstroom uit het systeem en identificeert WR 112 als een zeer efficiënte stoffabriek die elk jaar een hele aardmassa aan stof produceert.

De hoofdauteur Ryan Lau introduceert de hoogtepunten van de onderzoeksresultaten. (Credit: NAOJ and ISAS/JAXA)

Stofvorming, die typisch wordt waargenomen in de zachte uitstromingen van koele sterren met een zonachtige massa, is enigszins ongebruikelijk in de extreme omgeving rond massieve sterren en hun hevige winden. Er gebeuren echter interessante dingen wanneer de snelle winden van twee zware sterren in een dubbelster op elkaar inwerken.

“Wanneer de twee winden op elkaar inwerken, breekt de hel los, inclusief het vrijkomen van overvloedige röntgenstraling van geschokt gas, maar ook de (op het eerste gezicht verrassende) vorming van overvloedige hoeveelheden op koolstof gebaseerde aërosolstofdeeltjes in die dubbelsters waarin een van de sterren is geëvolueerd naar He-verbranding, die 40% C produceert in hun winden,” zegt co-auteur Anthony Moffat (University of Montreal). Dit stofvormingsproces is precies wat zich voordoet in WR 112.

Dit binaire stofvormingsfenomeen is in andere stelsels zoals WR 104 onthuld door co-auteur Peter Tuthill (Universiteit van Sydney). Met name WR 104 vertoont een elegant spoor van stof dat lijkt op een ‘spinnewiel’ dat de baanbeweging van het centrale binaire sterrensysteem volgt.

De stofnevel rond WR 112 is echter veel complexer dan een eenvoudig spinnewielpatroon. Tientallen jaren van multi-golflengte waarnemingen gaven tegenstrijdige interpretaties van de stoffige uitstroom en de baanbeweging van WR 112. Na bijna 20 jaar onzekerheid over WR 112, leverden beelden van het COMICS-instrument op de Subaru-telescoop, genomen in okt 2019, het laatste-en onverwachte-stuk van de puzzel.

“We publiceerden in 2017 een studie over WR 112 die suggereerde dat de stoffige nevel helemaal niet bewoog, dus ik dacht dat onze COMICS-observatie dit zou bevestigen,” legde hoofdauteur Ryan Lau (ISAS/JAXA) uit. “Tot mijn verbazing bleek uit het COMCIS-beeld dat de stoffige schil wel degelijk bewogen was sinds het laatste beeld dat we in 2016 met de VLT maakten. Het verwarde me zo erg dat ik niet kon slapen na de waarnemingsrun-ik bleef door de beelden bladeren totdat het eindelijk in mijn hoofd registreerde dat de spiraal eruit zag alsof hij naar ons toe tuimelde.”

Lau werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Sydney, waaronder prof. Peter Tuthill en student Yinuo Han, die experts zijn in het modelleren en interpreteren van de beweging van de stoffige spiralen van binaire systemen zoals WR 112. “Ik deelde de beelden van WR 112 met Peter en Yinuo, en zij waren in staat om een verbazingwekkend voorlopig model te produceren dat bevestigde dat de stoffige spiraalstroom in onze richting draait langs onze gezichtslijn,” zei Lau.

Animatie 1: Geanimeerd model van de spiraalvormige stofnevel rond WR 112 (links) en de werkelijke overeenkomstige waarnemingen (rechts). Het symbool φ in de animatie van het model geeft de fase van de baan van de centrale dubbelster aan, waarbij φ = 0 aan het begin van de 20-jaar durende baan is, en φ = 1 aan het eind van de baan. De animatie pauzeert bij elke fase die in de echte waarnemingen wordt weergegeven. (Credit: Lau et al.)

De animatie hierboven toont een vergelijking tussen de modellen van WR 112 die door het onderzoeksteam zijn gemaakt en de werkelijke mid-IR waarnemingen. Het uiterlijk van de modelbeelden vertoont een opmerkelijke overeenkomst met de echte beelden van WR 112. Uit de modellen en de reeks beeldvormende waarnemingen blijkt dat de rotatieperiode van deze stoffige “edge-on” spiraal (en de omlooptijd van het centrale binaire systeem) 20 jaar bedraagt.

Het drastische verschil tussen “face-on” en “edge-on” verschijning, dat te maken heeft met onze kijkhoek van WR 112, wordt gedemonstreerd in de figuur en animaties hieronder.

Figuur 2: Model van de WR 112 nevel vanuit een “face-on” kijkhoek (links) en de waargenomen kijkhoek (rechts). De stippellijnen illustreren de beweging van de centrale binaire baan, waarbij de scheiding van de centrale binaire en de grootte van elke ster niet op schaal zijn weergegeven. Elk paneel heeft zijn eigen begeleidende animatie die de omwenteling van de spiraal in beide kijkhoeken laat zien. Credit: Lau et al.

Animatie 2a.

Animatie 2b.

De onderstaande animatie helpt bij het visualiseren van de overgang van de “face-on” kijkhoek naar de waargenomen kijkhoek van WR 112.

Animatie 3: Deze animatie toont het effect van de kijkhoek op het uiterlijk van de stoffige spiraal. Eerst toont het “face-on” model een volledige omwenteling van de stofspiraal als deze in het hemelvlak zou draaien. Vervolgens wordt de spiraal geroteerd tot de waargenomen inclinatie (i) en rotatiehoek (Ω), waar hij nog een volledige omwenteling maakt. Merk op dat de geometrie van de 3D-spiraal zelf exact hetzelfde is, maar dat alleen de kijkhoek het uiterlijk verandert. Credit: Lau et al.

Met de herziene foto van WR 112 kon het onderzoeksteam afleiden hoeveel stof dit binaire systeem vormt. “Spiralen zijn zich herhalende patronen, dus omdat we begrijpen hoeveel tijd het kost om één volledige stoffige spiraalvormige draaiing te vormen (~20 jaar), kunnen we in feite de leeftijd achterhalen van het stof dat door de dubbelsterren in het centrum van de spiraal wordt geproduceerd,” zegt Lau. Hij wijst erop dat “er in het centrum van de spiraal pas gevormd stof is, terwijl het stof dat we zien na 4 spiraalomwentelingen zo’n 80 jaar oud is. Daarom kunnen we in wezen een heel mensenleven volgen langs de stoffige spiraalstroom die in onze waarnemingen te zien is. Ik kon dus op de beelden het stof aanwijzen dat werd gevormd toen ik werd geboren (op dit moment ergens tussen de eerste en tweede spiraalomwenteling).”

Tot hun verrassing ontdekte het team dat WR 112 een zeer efficiënte stoffabriek is die stof produceert met een snelheid van 3×10-6 zonsmassa per jaar, wat gelijk staat aan de productie van een hele aardmassa stof per jaar. Dit was ongebruikelijk gezien de omlooptijd van 20 jaar van WR 112 – de meest efficiënte stofproducenten in dit soort binaire WR-stersystemen hebben meestal kortere omlooptijden van minder dan een jaar, zoals WR 104 met zijn 220-daagse periode. WR 112 laat daarom de diversiteit zien van de WR binaire systemen die in staat zijn om efficiënt stof te vormen en benadrukt hun potentiële rol als belangrijke bronnen van stof, niet alleen in onze Melkweg maar ook in melkwegstelsels buiten de onze.

Tot slot tonen deze resultaten het ontdekkingspotentieel aan van multi-epoch mid-IR beeldvorming met het MIMIZUKU instrument op het aanstaande Tokyo Atacama Observatory (TAO). De mid-IR resultaten van deze studie maken met name gebruik van de grootste observatoria ter wereld en zetten de toon voor het volgende decennium van astronomische ontdekkingen met 30-m klasse telescopen en de komende James Webb Space Telescope.

Deze onderzoeksresultaten werden gepubliceerd als Ryan M. Lau et al. “Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112” op 15 september 2020 in The Astrophysical Journal.

Notes

Wolf-Rayet (WR) sterren zijn geëvolueerde zeer massieve sterren die hun waterstofrijke omhulsel al hebben verloren. Het oppervlak van deze objecten is rijk aan zware elementen zoals koolstof, geproduceerd door het inwendige verbrandingsproces van helium. Hierdoor bevat de ejecta van WR sterren hoge fracties koolstof en andere zware elementen, in tegenstelling tot het waterstofrijke materiaal dat door gewone geëvolueerde sterren wordt uitgestoten, waarbij een grote hoeveelheid stof wordt gevormd.