Secvență de 7 imagini în infraroșu mediu (~10 micrometri) ale WR 112 realizate între 2001 și 2019 de Gemini North, Gemini South, Keck, Very Large Telescope (VLT) și Subaru Telescope. Lungimea liniei albe de pe fiecare imagine corespunde la aproximativ 6800 de unități astronomice. Credit: Lau et al.

Cu aproape două decenii de imagistică în infraroșu mediu (IR) de la cele mai mari observatoare din întreaga lume, inclusiv Telescopul Subaru, o echipă de astronomi a reușit să capteze mișcarea în spirală a prafului nou format care curge din sistemul stelar binar masiv și evoluat Wolf-Rayet (WR) 112. Sistemele masive de stele binare, precum și exploziile de supernove, sunt considerate surse de praf în Univers încă de la începutul istoriei sale, dar procesul de producere a prafului și cantitatea de praf ejectat sunt încă întrebări deschise. WR 112 este un sistem binar compus dintr-o stea masivă aflată într-un stadiu foarte târziu al evoluției stelare care pierde o cantitate mare de masă și o altă stea masivă aflată în secvența principală. Se așteaptă ca praful să se formeze în regiunea în care se ciocnesc vânturile stelare de la aceste două stele. Studiul dezvăluie mișcarea fluxului de praf care iese din sistem și identifică WR 112 ca fiind o fabrică de praf extrem de eficientă, care produce o masă întreagă de praf de pe Pământ în fiecare an.

Autorul principal Ryan Lau prezintă cele mai importante aspecte ale rezultatelor cercetării. (Credit: NAOJ și ISAS/JAXA)

Formarea prafului, care este de obicei observată în fluxurile blânde de la stelele reci cu o masă asemănătoare cu cea a Soarelui, este oarecum neobișnuită în mediul extrem din jurul stelelor masive și a vânturilor lor violente. Cu toate acestea, se întâmplă lucruri interesante atunci când vânturile rapide a două stele masive dintr-o binară interacționează.

„Atunci când cele două vânturi se ciocnesc, se dezlănțuie tot iadul, inclusiv eliberarea de raze X abundente de gaz șocat, dar și crearea (la prima vedere surprinzătoare) a unor cantități abundente de particule de praf aerosol pe bază de carbon în acele binare în care una dintre stele a evoluat către arderea He, care produce 40% C în vânturile lor”, spune co-autorul Anthony Moffat (Universitatea din Montreal). Acest proces de formare a prafului este exact ceea ce se întâmplă în WR 112.

Acest fenomen de formare a prafului în binare a fost dezvăluit și în alte sisteme, cum ar fi WR 104, de către co-autorul Peter Tuthill (Universitatea din Sydney). WR 104, în special, dezvăluie o dâră elegantă de praf asemănătoare cu o „roată de ace” care urmărește mișcarea orbitală a sistemului stelar binar central.

Cu toate acestea, nebuloasa de praf din jurul WR 112 este mult mai complexă decât un simplu model de roată de ace. Decenii de observații pe mai multe lungimi de undă au prezentat interpretări contradictorii ale fluxului de praf și ale mișcării orbitale a lui WR 112. După aproape 20 de ani de incertitudine cu privire la WR 112, imaginile instrumentului COMICS de pe Telescopul Subaru, realizate în octombrie 2019, au oferit piesa finală – și neașteptată – a puzzle-ului.

„Am publicat un studiu în 2017 despre WR 112 care sugera că nebuloasa prăfoasă nu se mișcă deloc, așa că am crezut că observația noastră COMICS va confirma acest lucru”, a explicat autorul principal Ryan Lau (ISAS/JAXA). „Spre surprinderea mea, imaginea COMCIS a dezvăluit că învelișul prăfos s-a mișcat cu siguranță de la ultima imagine pe care am realizat-o cu VLT în 2016. M-a derutat atât de mult încât nu am putut dormi după runda de observare – am tot răsfoit imaginile până când în cele din urmă mi-am înregistrat în minte că spirala părea că se rostogolește spre noi.”

Lau a colaborat cu cercetători de la Universitatea din Sydney, inclusiv cu profesorul Peter Tuthill și cu studentul Yinuo Han, care sunt experți în modelarea și interpretarea mișcării spiralelor prăfuite din sistemele binare precum WR 112. „Am împărtășit imaginile de la WR 112 cu Peter și Yinuo, iar ei au fost capabili să producă un model preliminar uimitor care a confirmat faptul că spirala de praf se rotește în direcția noastră de-a lungul liniei noastre de vizibilitate”, a declarat Lau.

Animarea 1: Modelul animat al nebuloasei spirale de praf din jurul WR 112 (stânga) și observațiile reale corespunzătoare (dreapta). Simbolul φ de pe modelul de animație indică faza orbitală a binarei centrale, unde φ = 0 se află la începutul orbitei sale de 20 de ani, iar φ = 1 se află la sfârșitul orbitei sale. Animația se oprește la fiecare fază care este afișată în observațiile reale. (Credit: Lau et al.)

Animarea de mai sus arată o comparație între modelele lui WR 112 create de echipa de cercetare alături de observațiile reale în infraroșu mediu. Aspectul imaginilor modelului arată o concordanță remarcabilă cu imaginile reale ale lui WR 112. Modelele și seria de observații imagistice au arătat că perioada de rotație a acestei spirale prăfuite „edge-on” (și perioada orbitală a sistemului binar central) este de 20 de ani.

Diferența drastică dintre aspectul „face-on” vs. „edge-on”, care are legătură cu unghiul nostru de vedere al lui WR 112, este demonstrată în figura și animațiile de mai jos.

Figura 2: Modelul nebuloasei WR 112 dintr-un unghi de vedere „face-on” (stânga) și unghiul de vedere observat (dreapta). Liniile punctate ilustrează mișcarea orbitei binare centrale, în cazul în care separarea binarei centrale și mărimea fiecărei stele nu sunt reprezentate la scară. Fiecare panou are propria animație însoțitoare care arată revoluția spiralei în ambele unghiuri de vedere. Credit: Lau et al.

Animarea 2a.

Animarea 2b.

Animarea de mai jos ajută la vizualizarea tranziției de la unghiul de vizualizare față în față la unghiul de vizualizare observat al WR 112.

Animarea 3: Această animație arată efectul unghiului de vizualizare asupra aspectului spiralei prăfuite. În primul rând, modelul „face-on” arată o revoluție completă a spiralei prăfuite dacă aceasta s-ar roti în planul cerului. Spirala este apoi rotită până la înclinarea (i) și unghiul de rotație (Ω) observate, unde continuă cu o altă revoluție completă. Rețineți că geometria spiralei 3D în sine este exact aceeași, însă doar unghiul de vizualizare îi schimbă aspectul. Credit: Lau et al.

Cu imaginea revizuită a lui WR 112, echipa de cercetători a reușit să deducă cât de mult praf formează acest sistem binar. „Spiralele sunt modele repetitive, așa că, din moment ce înțelegem cât timp este nevoie pentru a forma un viraj spiralat plin de praf (~20 de ani), putem de fapt să urmărim vârsta prafului produs de stelele binare din centrul spiralei”, spune Lau. El subliniază că „există praf proaspăt format chiar în miezul central al spiralei, în timp ce praful pe care îl vedem la 4 întoarceri ale spiralei este vechi de aproximativ 80 de ani. Prin urmare, putem urmări, în esență, o viață întreagă de om de-a lungul curentului spiralat prăfuit dezvăluit în observațiile noastre. Așa că aș putea de fapt să localizez pe imagini praful care s-a format atunci când m-am născut (în momentul de față, este undeva între prima și a doua întoarcere a spiralei).”

Pentru surpriza lor, echipa a descoperit că WR 112 este o fabrică de praf foarte eficientă care produce praf la o rată de 3×10-6 masă solară pe an, ceea ce este echivalent cu producerea unei întregi mase de praf pe Pământ în fiecare an. Acest lucru a fost neobișnuit având în vedere perioada orbitală de 20 de ani a lui WR 112 – cei mai eficienți producători de praf din acest tip de sistem stelar binar WR tind să aibă perioade orbitale mai scurte, mai mici de un an, cum ar fi WR 104, cu o perioadă de 220 de zile. Prin urmare, WR 112 demonstrează diversitatea sistemelor binare WR care sunt capabile să formeze praf în mod eficient și evidențiază rolul lor potențial ca surse semnificative de praf nu numai în galaxia noastră, ci și în galaxiile de dincolo de galaxia noastră.

În cele din urmă, aceste rezultate demonstrează potențialul de descoperire al imagisticii în infraroșu mediu cu mai multe epoleți cu ajutorul instrumentului MIMIZUKU de pe viitorul Tokyo Atacama Observatory (TAO). Rezultatele mid-IR din acest studiu utilizează în mod remarcabil cele mai mari observatoare din lume și pregătesc terenul pentru următorul deceniu de descoperiri astronomice cu ajutorul telescoapelor de clasă 30-m și al viitorului telescop spațial James Webb.

Aceste rezultate ale cercetării au fost publicate ca Ryan M. Lau et al. „Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf-Rayet Dust Factory WR 112” pe 15 septembrie 2020 în The Astrophysical Journal.

Note

Stelele Wolf-Rayet (WR) sunt stele foarte masive evoluate care și-au pierdut deja învelișul bogat în hidrogen. Suprafața acestor obiecte este bogată în elemente grele, cum ar fi carbonul produs de procesul intern de ardere a heliului. Acest lucru face ca ejecta de la stelele WR să includă fracții mari de carbon și alte elemente grele, spre deosebire de materialul bogat în hidrogen ejectat de stelele evoluate obișnuite, formând o cantitate mare de praf

.