Inom stjärnbilden Cygnus, en äldre stjärna och dess enorma följeslagare har en sista hurra, slänger av massa i en otrolig hastighet innan de exploderar som supernovor och kollapsar i ett svart hål.

Nu, forskare inklusive nyligen utexaminerade Embry-Riddle Aeronautical University Laura M. Lee har kartlagt den äldre stjärnans omloppsbana runt dess överdimensionerade och lika urgamla partner. I en vetenskaplig första de har också bestämt den dynamiska massan för båda stjärnorna som utgör ett binärt system som kallas Wolf-Rayet 133.

Teamets resultat, publicerad 9 februari, 2021 av Astrofysiska tidskriftsbrev , markera den första visuellt observerade omloppsbanan för en sällsynt typ av stjärna som kallas en kväverik Wolf-Rayet (WN) stjärna. WN-stjärnan i fråga är hälften av den stjärnklara dansduon i WR 133-binären.

WN-stjärnan piruetter runt sin partnerstjärna, en O9 superjätte, var 112,8:e dag - en relativt kort omloppsbana, indikerar att de två stjärnorna är nära varandra, rapporterade forskare. WN-stjärnan har 9,3 gånger större massa än vår sol, medan O9 superjätten är hela 22,6 gånger mer massiv, laget hittade.

Att föreställa sig det tidiga universum

Forskningen öppnar ett nytt fönster till det avlägsna förflutna när stjärnor och planeter först började bildas.

Stjärnor av typen Wolf-Rayet, så uppkallad efter astronomerna som upptäckte dem 1867, är massiva stjärnor nära slutet av sina liv, sa Lees fakultets mentor Dr. Noel Richardson, biträdande professor i fysik och astronomi vid Embry-Riddle. De är väldigt varma, en miljon gånger mer lysande än solen, och stjärnvindar har tagit av sina vätehöljen. Det har gjort det svårt att mäta deras massa – ett viktigt steg mot att modellera stjärnornas utveckling – fram till nu.

Eftersom paret stjärnor i WR 133-binären är tätt kopplade, de har förmodligen utbytt massa, Richardson noterade. "I det tidiga universum, vi tror att de flesta stjärnorna var mycket, mycket massiva och de exploderade förmodligen tidigt, " han sa.

"När dessa typer av binära stjärnor är tillräckligt nära, de kan överföra massa till varandra, möjligen sparkar upp rymddamm, som är nödvändigt för bildandet av stjärnor och planeter. Om de inte är tillräckligt nära för att överföra massa, de piskar fortfarande upp en enorm vind som skjuter material in i kosmos, och som också kan tillåta stjärnor och planeter att bildas. Det är därför vi vill veta mer om denna sällsynta typ av stjärna."

Lee var fortfarande student på Embry-Riddle när Richardson bjöd in henne att hjälpa till att lösa en spännande astronomigåta, som en del av hennes senior capstone-projekt. Richardson hade analyserat data från CHARA Array, en samling av sex teleskop placerade över Kaliforniens Mount Wilson. Arrayen, drivs av Georgia State University's Center for High Angular Resolution Astronomy, kunde plocka ut himmelska detaljer mindre än vinkelstorleken på en krona i New York City från teleskopen nära Los Angeles, Kalifornien.

Lees specifika uppgift var att förstå ungefär 100 spektra – streckkodsliknande grafer som avslöjar hur mycket ljus en stjärna avger. För att bättre förstå WR 133:s spektra, tillhandahållen av Grant M. Hill från Keck Observatory på Hawaii, Lee använde datorkod som gjorde att teamet kunde mäta hur de två stjärnorna rörde sig. "Dessa mätningar är ett nödvändigt steg eftersom de berättar för oss hur stjärnorna rör sig fram och tillbaka från oss, medan CHARA-mätningarna berättade för oss hur de rör sig över himlen, ", förklarade Richardson. "Kombinationen ger oss förmågan att se en tredimensionell bana, som sedan berättar för oss massorna."

Just då, Lee var laserfokuserad på att få sin Embry-Riddle-examen. "Jag insåg inte riktigt hur stor inverkan vi gjorde på det här området, sa Lee, en medlem av Sigma Pi Sigma fysik hedrar samhället som nu har en astronomiexamen med en matematik biämne. "Det var ganska spännande att vara en del av projektet, speciellt som student."

"En blå marmor i rymden"

Vid Armagh Observatory &Planetarium i Nordirland, en av de många institutioner som är involverade i projektet, Andreas A.C. Sander sa att teamets resultat var något överraskande och kommer att få forskare att ompröva viktiga antaganden. "Resultaten är mycket intressanta eftersom de ger en lägre massa än förväntat för en sådan stjärna, " konstaterade Sander.

"Även om det här kanske låter som en detalj, det kommer att förändra vår uppfattning om de svarta hålen till följd av kollapsande Wolf-Rayet-stjärnor, en avgörande ingrediens i det astrofysiska sammanhanget av gravitationsvåghändelser."

Gail Schaefer från CHARA Array noterade att Richardsons observationer med teleskopen från Georgia State University (GSU) på Mount Wilson – möjliggjorda genom ett program med öppen tillgång vid anläggningen – kommer att bidra till att förbättra vår förståelse för hur binära interaktioner påverkar utvecklingen av dessa massiva stjärnor."

Astronom Jason Aufdenberg från Embry-Riddle, som också har använt CHARA Array, sa att "den typ av arbete Noel gör, etablera banor, är mycket viktigt eftersom de kan få massorna av dessa saker. Att veta om dessa mycket heta stjärnor, hur många det fanns och deras ljusstyrka är en del av att förstå vad som hände i vårt universum efter Big Bang."

Nu i början av sin karriär, Lee sa att hon hoppas kunna fortsätta lära sig och bli förvånad över vårt universum. "Vi är på en blå marmor som flyter i rymden, " sa hon. "Det är viktigt att lära sig mer om komplexiteten i universum omkring oss. Människor är födda för att lära. All kunskap vi kan få är en gåva."