Med nästan två decennier av mellaninfraröd (IR) avbildning från de största observatorierna runt om i världen inklusive Subaru-teleskopet, ett team av astronomer kunde fånga spiralrörelsen av nybildat damm som strömmar från det massiva och utvecklade binära stjärnsystemet Wolf-Rayet (WR) 112. Massiva binära stjärnsystem, såväl som supernovaexplosioner, betraktas som källor till damm i universum från dess tidiga historia, men processen för dammproduktion och mängden utstött damm är fortfarande öppna frågor. WR 112 är ett binärt system som består av en massiv stjärna i det mycket sena stadiet av stjärnutvecklingen som förlorar en stor mängd massa och en annan massiv stjärna i huvudsekvensen. Damm förväntas bildas i området där stjärnvindar från dessa två stjärnor kolliderar. Studien avslöjar rörelsen av det dammiga utflödet från systemet och identifierar WR 112 som en mycket effektiv dammfabrik som producerar en hel jordmassa av damm varje år.

Dammbildning, som vanligtvis ses i de milda utflödena från kalla stjärnor med en solliknande massa, är något ovanligt i den extrema miljön kring massiva stjärnor och deras våldsamma vindar. Dock, intressanta saker händer när de snabba vindarna från två massiva stjärnor i en binär interaktion.

"När de två vindarna kolliderar, hela helvetet brakar loss, inklusive frisläppandet av rikliga chockgasröntgenstrålar, men också (till en början överraskande) skapandet av rikliga mängder kolbaserade aerosoldammpartiklar i de binärer där en av stjärnorna har utvecklats till He-bränning, som producerar 40% C i deras vindar, " säger medförfattaren Anthony Moffat (University of Montreal). Denna dammbildningsprocess är precis vad som sker i WR 112. (Not 1)

Detta binära dammbildningsfenomen har avslöjats i andra system som WR 104 av medförfattaren Peter Tuthill (University of Sydney). WR 104, särskilt, avslöjar ett elegant spår av damm som liknar ett "nålhjul" som spårar det centrala binära stjärnsystemets omloppsrörelse (se www.physics.usyd.edu.au/~gekko … inwheel/movie_11.gif)

Dock, den dammiga nebulosan runt WR 112 är mycket mer komplex än ett enkelt pinwheel-mönster. Årtionden av observationer med flera våglängder presenterade motstridiga tolkningar av det dammiga utflödet och omloppsrörelsen hos WR 112. Efter nästan 20 års osäkerhet om WR 112, bilder från COMICS-instrumentet på Subaru-teleskopet tagna i oktober 2019 var den sista – och oväntade – pusselbiten.

"Vi publicerade en studie 2017 på WR 112 som antydde att den dammiga nebulosan inte rörde sig alls, så jag trodde att vår COMICS-observation skulle bekräfta detta, " förklarade huvudförfattaren Ryan Lau (ISAS/JAXA). "Till min förvåning, COMCIS-bilden avslöjade att det dammiga skalet definitivt hade flyttat sig sedan den senaste bilden vi tog med VLT 2016. Det förvirrade mig så mycket att jag inte kunde sova efter observationskörningen – jag fortsatte bläddra igenom bilderna tills den slutligen registrerades i mitt huvud att spiralen såg ut som om den ramlade mot oss."

Lau samarbetade med forskare vid University of Sydney, inklusive professor Peter Tuthill och grundutbildningen Yinuo Han, som är experter på att modellera och tolka rörelsen hos de dammiga spiralerna från binära system som WR 112. "Jag delade bilderna av WR 112 med Peter och Yinuo, och de kunde producera en fantastisk preliminär modell som bekräftade att den dammiga spiralströmmen roterar i vår riktning längs vår synlinje, sa Lau.

Animationen ovan visar en jämförelse mellan modellerna av WR 112 skapade av forskargruppen tillsammans med de faktiska mid-IR-observationerna. Utseendet på modellbilderna visar en anmärkningsvärd överensstämmelse med de verkliga bilderna av WR 112. Modellerna och serien av bildobservationer avslöjade att rotationsperioden för denna dammiga "kant-på" spiral (och omloppsperioden för det centrala binära systemet ) är 20 år.

Med den reviderade bilden av WR 112, forskargruppen kunde härleda hur mycket damm detta binära system bildar. "Spiraler är repetitiva mönster, så eftersom vi förstår hur mycket tid det tar att bilda en hel dammig spiralsväng (~20 år), vi kan faktiskt spåra åldern av damm som produceras av dubbelstjärnorna i spiralens mitt, " säger Lau. Han påpekar att "det finns nybildat damm i spiralens centrala kärna, medan dammet vi ser som är fyra spiralvarv bort är ungefär 80 år gammalt. Därför, vi kan i huvudsak spåra en hel mänsklig livstid längs den dammiga spiralströmmen som avslöjas i våra observationer. Så jag kunde faktiskt på bilderna peka ut dammet som bildades när jag föddes (just nu, det är någonstans mellan första och andra spiralvarven)."

Till deras förvåning, teamet fann att WR 112 är en mycket effektiv dammfabrik som producerar damm i en hastighet av 3x10 ^-6 solmassa per år, vilket motsvarar att producera en hel jordmassa av damm varje år. Detta var ovanligt med tanke på WR 112:s 20-åriga omloppsperiod – de mest effektiva dammproducenterna i denna typ av WR-binära stjärnsystem tenderar att ha kortare omloppsperioder mindre än ett år som WR 104 med sin 220-dagarsperiod. WR 112 demonstrerar därför mångfalden av WR binära system som effektivt kan bilda damm och framhäver deras potentiella roll som betydande dammkällor inte bara i vår galax utan galaxer bortom vår egen.

Slutligen, dessa resultat visar upptäcktspotentialen hos multi-epok mid-IR-avbildning med MIMIZUKU-instrumentet på det kommande Tokyo Atacama-observatoriet (TAO). Mitt-IR-resultaten från denna studie använder särskilt de största observatorierna i världen och sätter scenen för nästa decennium av astronomiska upptäckter med 30-m-klassteleskop och det kommande James Webb-rymdteleskopet.

(Not 1) Wolf-Rayet (WR) stjärnor är utvecklade mycket massiva stjärnor som redan har förlorat sitt väterika hölje. Ytan på dessa föremål är rik på tunga grundämnen som kol som produceras av den interna heliumförbränningsprocessen. Detta resulterar i att utstötningen från WR-stjärnor inkluderar höga fraktioner av kol och andra tunga grundämnen, i motsats till det väterika materialet som skjuts ut av vanliga utvecklade stjärnor, bildar en stor mängd damm.