Met bijna twee decennia aan mid-infrarood (IR) beeldvorming van de grootste observatoria over de hele wereld, waaronder de Subaru-telescoop, een team van astronomen was in staat om de spiraalbeweging vast te leggen van nieuw gevormd stof dat stroomde van het massieve en geëvolueerde dubbelstersysteem Wolf-Rayet (WR) 112. Massieve dubbelstersystemen, evenals supernova-explosies, worden vanaf de vroege geschiedenis beschouwd als stofbronnen in het heelal, maar het proces van stofproductie en de hoeveelheid uitgestoten stof zijn nog openstaande vragen. WR 112 is een dubbelstersysteem dat bestaat uit een massieve ster in het zeer late stadium van stellaire evolutie die een grote hoeveelheid massa verliest en een andere massieve ster in de hoofdreeks. Er wordt verwacht dat er stof wordt gevormd in het gebied waar de stellaire winden van deze twee sterren met elkaar in botsing komen. 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.

Stofvorming, die typisch wordt gezien in de zachte uitstroom van koele sterren met een zonachtige massa, is enigszins ongebruikelijk in de extreme omgeving rond massieve sterren en hun gewelddadige winden. Echter, interessante dingen gebeuren wanneer de snelle winden van twee massieve sterren in een dubbelster op elkaar inwerken.

"Als de twee winden botsen, de hel breekt los, inclusief het vrijkomen van overvloedige röntgenstralen met schokgas, maar ook de (op het eerste gezicht verrassende) creatie van grote hoeveelheden op koolstof gebaseerde aerosolstofdeeltjes in die dubbelsterren waarin een van de sterren is geëvolueerd naar He-burning, die 40% C produceert in hun wind, ", zegt co-auteur Anthony Moffat (Universiteit van Montreal). Dit stofvormingsproces is precies wat er gebeurt in WR 112. (Noot 1)

Dit fenomeen van binaire stofvorming is onthuld in andere systemen zoals WR 104 door co-auteur Peter Tuthill (Universiteit van Sydney). WR 104, vooral, onthult een elegant spoor van stof dat lijkt op een 'pinwheel' dat de baanbeweging van het centrale dubbelstersysteem volgt (zie www.physics.usyd.edu.au/~gekko … inwheel/movie_11.gif)

Echter, de stoffige nevel rond WR 112 is veel complexer dan een eenvoudig pinwheelpatroon. Decennia van waarnemingen op meerdere golflengten gaven tegenstrijdige interpretaties van de stoffige uitstroom en orbitale beweging van WR 112. Na bijna 20 jaar onzekerheid over WR 112, afbeeldingen van het COMICS-instrument op de Subaru-telescoop, genomen in oktober 2019, vormden het laatste - en onverwachte - stukje 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-waarneming dit zou bevestigen, ", legt hoofdauteur Ryan Lau (ISAS/JAXA) uit. "Tot mijn verbazing, de COMCIS-opname onthulde dat de stoffige schaal definitief was bewogen sinds de laatste foto die we met de VLT in 2016 maakten. Het bracht me zo in de war dat ik niet kon slapen na de observatie-run - ik bleef door de foto's bladeren totdat het uiteindelijk werd geregistreerd in mijn hoofd dat de spiraal eruitzag alsof hij naar ons toe tuimelde."

Lau werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Sydney, waaronder prof. Peter Tuthill en niet-gegradueerde 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 ze waren in staat om een ​​verbazingwekkend voorlopig model te maken dat bevestigde dat de stoffige spiraalvormige stroom in onze richting draait langs onze gezichtslijn, " zei Lau.

De animatie hierboven toont een vergelijking tussen de modellen van WR 112 die door het onderzoeksteam zijn gemaakt naast de feitelijke mid-IR-waarnemingen. Het uiterlijk van de modelafbeeldingen toont een opmerkelijke overeenkomst met de echte afbeeldingen van WR 112. De modellen en de reeks beeldwaarnemingen onthulden dat de rotatieperiode van deze stoffige "edge-on" spiraal (en de omlooptijd van het centrale binaire systeem ) is 20 jaar.

Met de herziene foto van WR 112 het onderzoeksteam kon afleiden hoeveel stof dit binaire systeem vormt. "Spiralen zijn repetitieve patronen, dus omdat we begrijpen hoeveel tijd het kost om één volledige stoffige spiraalwinding te vormen (~20 jaar), we kunnen de ouderdom van het stof dat wordt geproduceerd door de dubbelsterren in het midden van de spiraal, traceren, " zegt Lau. Hij wijst erop dat "er vers gevormd stof is in de zeer centrale kern van de spiraal, terwijl het stof dat we zien dat vier spiralen afwendt, ongeveer 80 jaar oud is. Daarom, we kunnen in wezen een heel mensenleven traceren langs de stoffige spiraalvormige stroom die in onze waarnemingen wordt onthuld. Dus ik kon op de afbeeldingen het stof lokaliseren dat werd gevormd toen ik werd geboren (nu, het is ergens tussen de eerste en tweede spiraalwending)."

Tot hun verbazing, het team ontdekte dat de WR 112 een zeer efficiënte stoffabriek is die stof produceert met een snelheid van 3x10 ^-6 zonnemassa per jaar, wat gelijk staat aan het produceren van een hele aardmassa van stof per jaar. Dit was ongebruikelijk gezien de 20-jarige omlooptijd van de WR 112 - de meest efficiënte stofproducenten in dit type WR dubbelstersysteem hebben doorgaans kortere omlooptijden van minder dan een jaar, zoals WR 104 met een periode van 220 dagen. WR 112 demonstreert daarom de diversiteit van WR-binaire systemen die in staat zijn om op efficiënte wijze stof te vormen en benadrukt hun potentiële rol als belangrijke stofbronnen, niet alleen in onze Melkweg, maar ook in andere melkwegstelsels dan de onze.

als laatste, deze resultaten demonstreren het ontdekkingspotentieel 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 vormen de basis voor het volgende decennium van astronomische ontdekkingen met telescopen van 30 m-klasse en de aanstaande James Webb Space Telescope.

(Opmerking 1) 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 die wordt geproduceerd door het interne heliumverbrandingsproces. Dit resulteert in de ejecta van WR-sterren inclusief hoge fracties van koolstof en andere zware elementen, in tegenstelling tot het waterstofrijke materiaal dat door de gebruikelijke geëvolueerde sterren wordt uitgestoten, vorming van een grote hoeveelheid stof.