Sekwencja 7 zdjęć WR 112 wykonanych w latach 2001-2019 przez Gemini North, Gemini South, Keck, Very Large Telescope (VLT) i Subaru Telescope. Długość białej linii na każdym zdjęciu odpowiada około 6800 jednostkom astronomicznym. Credit: Lau et al.

Dzięki prawie dwóm dekadom obrazowania w średniej podczerwieni (IR) z największych obserwatoriów na świecie, w tym z Teleskopu Subaru, zespół astronomów był w stanie uchwycić spiralny ruch nowo powstałego pyłu wylatującego z masywnego i wyewoluowanego układu podwójnego gwiazd Wilk-Rayet (WR) 112. Masywne układy podwójne gwiazd, jak również wybuchy supernowych, są uważane za źródła pyłu we Wszechświecie od jego wczesnej historii, ale proces produkcji pyłu i ilość wyrzucanego pyłu wciąż pozostają otwartymi pytaniami. WR 112 jest układem podwójnym składającym się z masywnej gwiazdy w bardzo późnym stadium ewolucji gwiezdnej tracącej dużą ilość masy oraz innej masywnej gwiazdy w ciągu głównym. Oczekuje się, że pył będzie powstawał w regionie, w którym zderzają się wiatry gwiazdowe tych dwóch gwiazd. Badanie ujawnia ruch wypływu pyłu z układu i identyfikuje WR 112 jako wysoce wydajną fabrykę pyłu, która produkuje całą ziemską masę pyłu każdego roku.

Główny autor Ryan Lau przedstawia najważniejsze wyniki badań. (Credit: NAOJ and ISAS/JAXA)

Powstawanie pyłu, które zwykle obserwuje się w łagodnych wypływach z chłodnych gwiazd o masie podobnej do Słońca, jest nieco niezwykłe w ekstremalnym środowisku wokół masywnych gwiazd i ich gwałtownych wiatrów. Jednak ciekawe rzeczy dzieją się, gdy szybkie wiatry dwóch masywnych gwiazd w układzie podwójnym wchodzą w interakcję.

„Kiedy dwa wiatry zderzają się, rozpętuje się całe piekło, w tym uwalnianie obfitego promieniowania rentgenowskiego typu shocked-gas, ale także (na pierwszy rzut oka zaskakujące) tworzenie obfitych ilości cząsteczek pyłu aerozolowego na bazie węgla w tych układach podwójnych, w których jedna z gwiazd ewoluowała w kierunku spalania He, co wytwarza 40% C w ich wiatrach” – mówi współautor Anthony Moffat (Uniwersytet w Montrealu). Ten proces tworzenia się pyłu jest dokładnie tym, co zachodzi w WR 112.

To zjawisko tworzenia się pyłu w układach podwójnych zostało ujawnione w innych układach, takich jak WR 104 przez współautora Petera Tuthilla (Uniwersytet w Sydney). WR 104, w szczególności, ujawnia elegancki ślad pyłu przypominający „wiatraczek”, który śledzi ruch orbitalny centralnego układu podwójnego gwiazd.

Jednakże mgławica pyłowa wokół WR 112 jest znacznie bardziej złożona niż prosty wzór wiatraczka. Dekady obserwacji o wielu długościach fali przedstawiały sprzeczne interpretacje wypływu pyłu i ruchu orbitalnego WR 112. Po prawie 20 latach niepewności co do WR 112, obrazy z instrumentu COMICS na Teleskopie Subaru wykonane w październiku 2019 roku dostarczyły ostateczny – i nieoczekiwany – element układanki.

„Opublikowaliśmy w 2017 roku badania dotyczące WR 112, które sugerowały, że mgławica pyłowa w ogóle się nie porusza, więc myślałem, że nasza obserwacja COMICS to potwierdzi” – wyjaśnił główny autor Ryan Lau (ISAS/JAXA). „Ku mojemu zaskoczeniu, obraz COMCIS ujawnił, że pyłowa powłoka zdecydowanie poruszyła się od ostatniego zdjęcia, które wykonaliśmy za pomocą VLT w 2016 roku. Zdezorientowało mnie to tak bardzo, że nie mogłem zasnąć po biegu obserwacyjnym – wciąż przerzucałem obrazy, aż w końcu zarejestrowało się w mojej głowie, że spirala wyglądała, jakby spadała w naszą stronę.”

Lau współpracował z badaczami z Uniwersytetu w Sydney, w tym z profesorem Peterem Tuthillem i studentką Yinuo Han, którzy są ekspertami w modelowaniu i interpretowaniu ruchu pyłowych spiral z układów podwójnych, takich jak WR 112. „Podzieliłem się obrazami WR 112 z Peterem i Yinuo, a oni byli w stanie stworzyć niesamowity wstępny model, który potwierdził, że pyłowy strumień spiralny obraca się w naszym kierunku wzdłuż naszej linii widzenia,” powiedział Lau.

Animacja 1: Animowany model spiralnej mgławicy pyłowej wokół WR 112 (po lewej) i rzeczywiste odpowiadające mu obserwacje (po prawej). Symbol φ na animacji modelu wskazuje fazę orbitalną centralnej gwiazdy podwójnej, gdzie φ = 0 jest na początku jej 20-letniej orbity, a φ = 1 jest na końcu jej orbity. Animacja zatrzymuje się na każdej fazie, która jest wyświetlana w rzeczywistych obserwacjach. (Credit: Lau et al.)

Powyższa animacja pokazuje porównanie modeli WR 112 stworzonych przez zespół badawczy z rzeczywistymi obserwacjami w zakresie średniej podczerwieni. Wygląd obrazów modelowych wykazuje niezwykłą zgodność z rzeczywistymi obrazami WR 112. Modele i seria obserwacji obrazowych ujawniły, że okres rotacji tej zapylonej spirali „na krawędzi” (oraz okres orbitalny centralnego układu podwójnego) wynosi 20 lat.

Drastyczna różnica pomiędzy wyglądem „twarzą w twarz” a „na brzegu”, która ma związek z naszym kątem patrzenia na WR 112, jest zademonstrowana na poniższym rysunku i animacjach.

Rysunek 2: Model mgławicy WR 112 z kąta patrzenia „twarzą w twarz” (po lewej) i obserwowanego kąta patrzenia (po prawej). Linie przerywane ilustrują ruch centralnej orbity podwójnej, przy czym separacja centralnej gwiazdy podwójnej i rozmiar każdej z gwiazd nie są pokazane w skali. Każdy panel ma towarzyszącą mu animację, która pokazuje obrót spirali w obu kątach widzenia. Credit: Lau et al.

Animacja 2a.

Animacja 2b.

Następna animacja pomaga zwizualizować przejście od modelu „twarzą w twarz” do obserwowanego kąta widzenia WR 112.

Animacja 3: Ta animacja pokazuje wpływ kąta widzenia na wygląd spirali pyłowej. Najpierw model „face-on” pokazuje jeden pełny obrót spirali pyłowej, gdyby obracała się ona w płaszczyźnie nieba. Następnie spirala jest obracana do obserwowanego nachylenia (i) i kąta rotacji (Ω), gdzie wykonuje kolejny pełny obrót. Zauważmy, że geometria samej spirali 3D jest dokładnie taka sama, a jedynie kąt patrzenia zmienia jej wygląd. Credit: Lau et al.

Dzięki poprawionemu obrazowi WR 112, zespół badawczy był w stanie wywnioskować, jak dużo pyłu tworzy ten układ podwójny. „Spirale to powtarzające się wzory, więc skoro rozumiemy, ile czasu potrzeba na uformowanie jednego pełnego zakrętu spirali pyłowej (~20 lat), możemy właściwie prześledzić wiek pyłu produkowanego przez gwiazdy podwójne w centrum spirali” – mówi Lau. Zauważa on, że „w samym centrum spirali znajduje się świeżo uformowany pył, podczas gdy pył, który widzimy w odległości 4 obrotów spirali ma około 80 lat. Dlatego też możemy w zasadzie prześledzić całe ludzkie życie wzdłuż zakurzonego strumienia spiralnego ujawnionego w naszych obserwacjach. Mógłbym więc właściwie wskazać na obrazach pył, który powstał, gdy się urodziłem (teraz jest gdzieś pomiędzy pierwszym a drugim obrotem spirali).”

Ku swojemu zaskoczeniu, zespół odkrył, że WR 112 jest wysoce wydajną fabryką pyłu, która produkuje pył w tempie 3×10-6 mas Słońca rocznie, co jest równoważne produkcji całej ziemskiej masy pyłu każdego roku. Było to niezwykłe, biorąc pod uwagę 20-letni okres orbitalny WR 112 – najbardziej wydajni producenci pyłu w tego typu układach podwójnych gwiazd WR mają zwykle krótsze okresy orbitalne, krótsze niż rok, jak WR 104 z okresem 220 dni. WR 112 pokazuje zatem różnorodność układów podwójnych WR, które są zdolne do efektywnego tworzenia pyłu i podkreśla ich potencjalną rolę jako znaczących źródeł pyłu nie tylko w naszej Galaktyce, ale także w galaktykach poza naszą galaktyką.

Na koniec, wyniki te pokazują potencjał odkrywczy wieloepokowego obrazowania w średniej podczerwieni za pomocą instrumentu MIMIZUKU w nadchodzącym Tokyo Atacama Observatory (TAO). Wyniki mid-IR z tego badania w szczególności wykorzystują największe obserwatoria na świecie i ustawiają scenę dla następnej dekady odkryć astronomicznych za pomocą teleskopów klasy 30-m i nadchodzącego James Webb Space Telescope.

Te wyniki badań zostały opublikowane jako Ryan M. Lau et al. „Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112” 15 września 2020 roku w The Astrophysical Journal.

Notatki

Gwiazdy typu Wolf-Rayet (WR) to wyewoluowane bardzo masywne gwiazdy, które utraciły już swoją bogatą w wodór otoczkę. Powierzchnia tych obiektów jest bogata w ciężkie pierwiastki, takie jak węgiel, powstające w procesie wewnętrznego spalania helu. Powoduje to, że wyrzucany z gwiazd WR materiał zawiera duże ilości węgla i innych ciężkich pierwiastków, w przeciwieństwie do bogatego w wodór materiału wyrzucanego przez zwykłe wyewoluowane gwiazdy, tworzące duże ilości pyłu.