Sequência de 7 imagens de WR 112 de meio-IR (~10 micrômetros) tiradas entre 2001 – 2019 por Gemini North, Gemini South, Keck, o Very Large Telescope (VLT), e o Subaru Telescope. O comprimento da linha branca em cada imagem corresponde a cerca de 6800 unidades astronômicas. Crédito: Lau et al.

Com quase duas décadas de imagens de infravermelho médio (IR) dos maiores observatórios ao redor do mundo, incluindo o Telescópio Subaru, uma equipe de astrônomos foi capaz de capturar o movimento em espiral da poeira recém-formada que flui do enorme e evoluído sistema estelar binário Wolf-Rayet (WR) 112. Sistemas estelares binários maciços, bem como explosões de supernovas, são considerados como fontes de poeira no Universo desde o início da sua história, mas o processo de produção de poeira e a quantidade de poeira ejectada ainda são questões em aberto. O WR 112 é um sistema binário composto por uma estrela maciça na fase final da evolução estelar perdendo uma grande quantidade de massa e outra estrela maciça na sequência principal. Espera-se que a poeira seja formada na região onde os ventos estelares destas duas estrelas estão colidindo. O estudo revela o movimento da saída de poeira do sistema e identifica o WR 112 como uma fábrica de poeira altamente eficiente que produz toda uma massa de poeira terrestre a cada ano.

O autor principal Ryan Lau apresenta os destaques dos resultados da pesquisa. (Crédito: NAOJ e ISAS/JAXA)

Formação de pó, que é tipicamente vista nos fluxos suaves de estrelas frias com uma massa semelhante à do Sol, é algo incomum no ambiente extremo em torno de estrelas maciças e seus ventos violentos. No entanto, coisas interessantes acontecem quando os ventos rápidos de duas estrelas maciças em um binário interagem.

“Quando os dois ventos colidem, todo o Inferno se solta, incluindo a liberação de copiosos raios-X de gás chocado, mas também a (à primeira vista surpreendente) criação de copiosas quantidades de partículas de pó de aerossol à base de carbono naqueles binários em que uma das estrelas evoluiu para He-queima, que produz 40% C em seus ventos”, diz o co-autor Anthony Moffat (Universidade de Montreal). Este processo de formação de pó é exatamente o que está ocorrendo no WR 112.

Este fenômeno de formação de pó binário foi revelado em outros sistemas como o WR 104 pelo co-autor Peter Tuthill (Universidade de Sydney). WR 104, em particular, revela um elegante rastro de poeira que se assemelha a uma ‘roda de pino’ que traça o movimento orbital do sistema estelar binário central.

No entanto, a nebulosa empoeirada ao redor da WR 112 é muito mais complexa do que um simples padrão de roda de pino. Décadas de observações de vários comprimentos de onda apresentaram interpretações conflitantes da saída de poeira e do movimento orbital do WR 112. Após quase 20 anos de incerteza na WR 112, imagens do instrumento COMICS no Subaru Telescope tiradas em outubro de 2019 forneceram a peça final e inesperada para o quebra-cabeça.

“Publicamos um estudo em 2017 sobre a WR 112 que sugeria que a nebulosa empoeirada não estava se movendo, então pensei que a nossa observação COMICS confirmaria isso”, explicou o autor principal Ryan Lau (ISAS/JAXA). “Para minha surpresa, a imagem COMCIS revelou que a concha empoeirada tinha definitivamente se movido desde a última imagem que tiramos com o VLT em 2016. Confundiu-me tanto que não consegui dormir depois da corrida de observação – continuei a folhear as imagens até que finalmente registrei na minha cabeça que a espiral parecia que estava a cair na nossa direcção”

Lau colaborou com investigadores da Universidade de Sydney, incluindo o Prof. Peter Tuthill e o licenciado Yinuo Han, que são especialistas em modelar e interpretar o movimento das espirais poeirentas de sistemas binários como o WR 112. “Compartilhei as imagens da WR 112 com Peter e Yinuo, e eles foram capazes de produzir um modelo preliminar surpreendente que confirmou que a corrente empoeirada em espiral está girando em nossa direção ao longo de nossa linha de visão”, disse Lau.

Animação 1: Modelo animado da nebulosa em espiral em torno da WR 112 (esquerda) e as observações reais correspondentes (direita). O símbolo φ na animação do modelo indica a fase orbital do binário central, onde φ = 0 está no início da sua órbita de 20 anos, e φ = 1 está no final da sua órbita. A animação pausa em cada fase que é exibida nas observações reais. (Crédito: Lau et al.)

A animação acima mostra uma comparação entre os modelos de WR 112 criados pela equipe de pesquisa ao lado das observações reais de meio-íris. A aparência das imagens dos modelos mostra uma concordância notável com as imagens reais do WR 112. Os modelos e a série de observações de imagem revelaram que o período de rotação desta espiral “edge-on” poeirenta (e o período orbital do sistema binário central) é de 20 anos.

A diferença drástica entre a aparência “face-on” vs. “edge-on”, que tem a ver com o nosso ângulo de visão do WR 112, é demonstrada na figura e animações abaixo.

Figure 2: Modelo da nebulosa WR 112 a partir de um ângulo de visão face-on (esquerda) e o ângulo de visão observado (direita). As linhas tracejadas ilustram o movimento da órbita binária central, onde a separação do binário central e o tamanho de cada estrela não é mostrado à escala. Cada painel tem a sua própria animação que mostra a rotação da espiral em ambos os ângulos de visão. Crédito: Lau et al.

Animação 2a.

Animação 2b.

A animação abaixo ajuda a visualizar a transição do ângulo de visão face-a-face para o ângulo de visão observado de WR 112.

Animação 3: Essa animação mostra o efeito do ângulo de visão na aparência da espiral empoeirada. Primeiro, o modelo “face-on” mostra uma revolução completa da espiral empoeirada se ela estivesse girando no plano do céu. A espiral é então rodada para a inclinação observada (i) e ângulo de rotação (Ω), onde prossegue com outra rotação completa. Note que a geometria da própria espiral 3D é exactamente a mesma, mas é apenas o ângulo de visão que muda a sua aparência. Crédito: Lau et al.

Com a imagem revista da WR 112, a equipe de pesquisa foi capaz de deduzir quanto pó este sistema binário está formando. “As espirais são padrões repetitivos, portanto, como entendemos quanto tempo leva para formar uma volta em espiral cheia de pó (~20 anos), podemos realmente rastrear a idade do pó produzido pelas estrelas binárias no centro da espiral”, diz Lau. Ele aponta que “há pó recém formado no centro da espiral, enquanto o pó que vemos que tem 4 voltas em espiral tem cerca de 80 anos”. Portanto, podemos essencialmente rastrear toda uma vida humana ao longo da corrente empoeirada da espiral revelada em nossas observações. Assim, eu pude realmente apontar nas imagens a poeira que se formou quando nasci (neste momento, está algures entre a primeira e a segunda volta em espiral)”

Para sua surpresa, a equipa descobriu que a WR 112 é uma fábrica de poeira altamente eficiente que produz poeira a uma taxa de 3×10-6 massa solar por ano, o que equivale a produzir toda uma massa terrestre de poeira todos os anos. Isto foi incomum dado o período orbital de 20 anos do WR 112 – os produtores de poeira mais eficientes neste tipo de sistema binário estelar WR tendem a ter períodos orbitais mais curtos, inferiores a um ano, como o WR 104 com seu período de 220 dias. O WR 112 demonstra, portanto, a diversidade dos sistemas binários WR capazes de formar poeira de forma eficiente e destaca seu papel potencial como fontes significativas de poeira não apenas em nossa galáxia, mas em galáxias além da nossa.

Por último, esses resultados demonstram o potencial de descoberta da imagem multi-epoch mid-IR com o instrumento MIMIZUKU no próximo Observatório do Atacama de Tóquio (TAO). Os resultados do mid-IR deste estudo utilizam notavelmente os maiores observatórios do mundo e preparam o cenário para a próxima década de descobertas astronômicas com telescópios de 30 m e o próximo Telescópio Espacial James Webb.

Estes resultados de pesquisa foram publicados como Ryan M. Lau et al. “Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112” em 15 de Setembro de 2020 no The Astrophysical Journal.

Notes

As estrelas Wolf-Rayet (WR) são estrelas muito maciças que já perderam o seu envelope rico em hidrogénio. A superfície destes objectos é rica em elementos pesados como o carbono produzido pelo processo de queima do hélio interno. Isto resulta na ejeção das estrelas WR incluindo altas frações de carbono e outros elementos pesados, em contraste com o material rico em hidrogênio ejetado pelas estrelas habitualmente evoluídas, formando uma grande quantidade de poeira.