Optrævler en spiralstrøm af støvede gløder fra en massiv binær stjernesmedje

Med næsten to årtiers mellem-infrarød (IR) billeddannelse fra de største observatorier rundt om i verden, inklusive Subaru-teleskopet, et hold af astronomer var i stand til at fange spiralbevægelsen af ​​nydannet støv, der strømmede fra det massive og udviklede binære stjernesystem Wolf-Rayet (WR) 112. Massive binære stjernesystemer, samt supernovaeksplosioner, betragtes som kilder til støv i universet fra dets tidlige historie, men processen med støvproduktion og mængden af ​​det udstødte støv er stadig åbne spørgsmål. WR 112 er et binært system, der består af en massiv stjerne i det meget sene stadie af stjerneudvikling, der mister en stor mængde masse og en anden massiv stjerne i hovedsekvensen. Støv forventes at blive dannet i det område, hvor stjernevinde fra disse to stjerner kolliderer. Undersøgelsen afslører bevægelsen af ​​den støvede udstrømning fra systemet og identificerer WR 112 som en højeffektiv støvfabrik, der producerer en hel jordmasse af støv hvert år.

Støvdannelse, som typisk ses i de blide udstrømninger fra kølige stjerner med en sollignende masse, er noget usædvanligt i det ekstreme miljø omkring massive stjerner og deres voldsomme vinde. Imidlertid, interessante ting sker, når de hurtige vinde fra to massive stjerner i en binær vekselvirkning.

"Når de to vinde støder sammen, hele helvede bryder løs, inklusive frigivelse af rigelige røntgenstråler med chokgas, men også (ved første rødme overraskende) skabelsen af ​​rigelige mængder af kulstofbaserede aerosoldøvpartikler i de binære dele, hvor en af ​​stjernerne har udviklet sig til He-brænding, som producerer 40% C i deres vinde, " siger medforfatter Anthony Moffat (University of Montreal). Denne støvdannelsesproces er præcis, hvad der sker i WR 112. (Note 1)

Dette binære støvdannelsesfænomen er blevet afsløret i andre systemer såsom WR 104 af medforfatter Peter Tuthill (University of Sydney). WR 104, i særdeleshed, afslører et elegant spor af støv, der ligner et 'nålehjul', der sporer det centrale binære stjernesystems orbitale bevægelse (se www.physics.usyd.edu.au/~gekko … inwheel/movie_11.gif)

Imidlertid, den støvede tåge omkring WR 112 er langt mere kompleks end et simpelt pinwheel-mønster. Årtiers multibølgelængdeobservationer præsenterede modstridende fortolkninger af den støvede udstrømning og orbitale bevægelse af WR 112. Efter næsten 20 års usikkerhed på WR 112, billeder fra COMICS-instrumentet på Subaru-teleskopet taget i oktober 2019 var den sidste – og uventede – brik til puslespillet.

"Vi offentliggjorde en undersøgelse i 2017 på WR 112, der antydede, at den støvede tåge slet ikke bevægede sig, så jeg troede, at vores COMICS-observation ville bekræfte dette, " forklarede hovedforfatter Ryan Lau (ISAS/JAXA). "Til min overraskelse, COMCIS-billedet afslørede, at den støvede skal helt sikkert havde flyttet sig siden det sidste billede, vi tog med VLT i 2016. Det forvirrede mig så meget, at jeg ikke kunne sove efter observationsløbet – jeg blev ved med at bladre gennem billederne, indtil det endelig blev registreret i mit hoved, at spiralen så ud som om den væltede mod os."

Lau samarbejdede med forskere ved University of Sydney, herunder prof. Peter Tuthill og bachelorstuderende Yinuo Han, som er eksperter i at modellere og fortolke bevægelsen af ​​de støvede spiraler fra binære systemer som WR 112. "Jeg delte billederne af WR 112 med Peter og Yinuo, og de var i stand til at producere en fantastisk foreløbig model, der bekræftede, at den støvede spiralstrøm drejer i vores retning langs vores synslinje, " sagde Lau.

Animationen ovenfor viser en sammenligning mellem modellerne af WR 112 skabt af forskerholdet sammen med de faktiske midt-IR-observationer. Udseendet af modelbillederne viser en bemærkelsesværdig overensstemmelse med de virkelige billeder af WR 112. Modellerne og rækken af ​​billedobservationer afslørede, at rotationsperioden for denne støvede "kant-på" spiral (og omløbsperioden for det centrale binære system) ) er 20 år.

Med det reviderede billede af WR 112, forskerholdet var i stand til at udlede, hvor meget støv dette binære system danner. "Spiraler er gentagne mønstre, så da vi forstår, hvor meget tid det tager at danne en fuld støvet spiraldrejning (~20 år), vi kan faktisk spore alderen af ​​støv produceret af de dobbelte stjerner i midten af ​​spiralen, " siger Lau. Han påpeger, at "der er nydannet støv i den helt centrale kerne af spiralen, mens det støv, vi ser, der er fire spiraldrejninger væk, er omkring 80 år gammelt. Derfor, vi kan i det væsentlige spore et helt menneskeliv langs den støvede spiralstrøm, der er åbenbaret i vores observationer. Så jeg kunne faktisk på billederne lokalisere det støv, der blev dannet, da jeg blev født (lige nu, det er et sted mellem første og anden spiraldrejning)."

Til deres overraskelse, holdet fandt ud af, at WR 112 er en højeffektiv støvfabrik, der producerer støv med en hastighed på 3x10 ^-6 solmasse om året, hvilket svarer til at producere en hel jordmasse af støv hvert år. Dette var usædvanligt i betragtning af WR 112's 20-årige omløbsperiode - de mest effektive støvproducenter i denne type WR-binære stjernesystem har en tendens til at have kortere omløbsperioder på mindre end et år som WR 104 med sin 220-dages periode. WR 112 demonstrerer derfor mangfoldigheden af ​​WR binære systemer, der er i stand til effektivt at danne støv og fremhæver deres potentielle rolle som væsentlige støvkilder, ikke kun i vores galakse, men galakser ud over vores egen.

Til sidst, disse resultater demonstrerer opdagelsespotentialet ved multi-epoke mid-IR billeddannelse med MIMIZUKU instrumentet på det kommende Tokyo Atacama Observatory (TAO). Mid-IR-resultaterne fra denne undersøgelse udnytter især de største observatorier i verden og sætter scenen for det næste årti af astronomiske opdagelser med 30-m-klasseteleskoper og det kommende James Webb-rumteleskop.

(Note 1) Wolf-Rayet (WR) stjerner er udviklede meget massive stjerner, der allerede har mistet deres brintrige hylster. Overfladen af ​​disse genstande er rig på tunge grundstoffer som kulstof produceret af den interne heliumforbrændingsproces. Dette resulterer i, at udstødningen fra WR-stjerner inkluderer høje fraktioner af kulstof og andre tunge grundstoffer, i modsætning til det brintrige materiale, der udstødes af sædvanlige udviklede stjerner, danner en stor mængde støv.