Zaobserwowano, że pióropusze pyłu są „wypychane” w przestrzeń międzygwiezdną przez intensywne światło gwiazd

Wyniki, uzyskane na podstawie zdjęć w podczerwieni układu podwójnego gwiazd WR140, wykonanych w ciągu 16 lat, zostały przedstawione w czasopiśmie Nature.

W uzupełniającym badaniu WR140, opublikowanym w Nature Astronomy, należący do NASA James Webb Space Telescope (JWST) był w stanie zajrzeć znacznie głębiej, aby uchwycić obraz nie tylko pojedynczego, przyspieszającego pióropusza pyłu, ale prawie 20 z nich, zagnieżdżonych jeden w drugim, jak gigantyczny zestaw łupin cebuli.

WR140 składa się z ogromnej gwiazdy Wolfa-Rayeta i jeszcze większej niebieskiej gwiazdy supergiganta, związanych grawitacyjnie na ośmioletniej orbicie. Ta gwiazda podwójna, w konstelacji Cygnusa, była monitorowana przez dwie dekady za pomocą jednego z największych na świecie teleskopów optycznych w Obserwatorium Keck na Hawajach.

WR140 epizodycznie wyrzuca pióropusze pyłu rozciągające się na odległość tysiące razy większą niż odległość Ziemi od Słońca. Te pióropusze pyłu, wytwarzane co osiem lat, dają astronomom unikalną możliwość obserwacji, jak światło gwiazd może wpływać na materię.

Wiadomo, że światło niesie ze sobą pęd, wywierając na materię nacisk znany jako ciśnienie promieniowania. Astronomowie często obserwują efekt tego zjawiska w postaci materii pędzącej z dużą prędkością po kosmosie, ale proces ten jest trudny do uchwycenia. Bezpośrednia rejestracja przyspieszenia spowodowanego siłami innymi niż grawitacja jest rzadko spotykana, a już na pewno nigdy w takim środowisku gwiazdowym jak to.

„Trudno jest zobaczyć światło gwiazd powodujące przyspieszenie, ponieważ siła ta zanika wraz z odległością, a inne siły szybko przejmują kontrolę” – powiedział Yinuo Han z Instytutu Astronomii w Cambridge, pierwszy autor pracy w Nature. „Aby być świadkiem przyspieszenia na takim poziomie, że staje się ono mierzalne, materiał musi znajdować się w miarę blisko gwiazdy lub źródło ciśnienia promieniowania musi być wyjątkowo silne”. WR140 jest gwiazdą podwójną, której dzikie pole promieniowania doładowuje te efekty, umieszczając je w zasięgu naszych wysoce precyzyjnych danych.”

Wszystkie gwiazdy generują wiatry gwiazdowe, ale te z gwiazd typu Wolf-Rayet mogą bardziej przypominać gwiezdny huragan. Pierwiastki takie jak węgiel w wietrze kondensują się jako sadza, która pozostaje wystarczająco gorąca, aby świecić jasno w podczerwieni. Podobnie jak dym na wietrze, daje to teleskopom coś, co można obserwować.

Zespół użył technologii obrazowania znanej jako interferometria, która była w stanie działać jak soczewka powiększająca dla 10-metrowego lustra teleskopu Keck, umożliwiając naukowcom odzyskanie wystarczająco ostrych obrazów WR140 na potrzeby badania.

Han i jego zespół odkryli, że pył nie wypływa z gwiazdy wraz z wiatrem w postaci mglistej kuli. Zamiast tego, pył tworzy się tam, gdzie wiatry z dwóch gwiazd zderzają się, na powierzchni stożkowego frontu uderzeniowego pomiędzy nimi.

Ponieważ orbitująca gwiazda podwójna jest w ciągłym ruchu, front uderzeniowy również się obraca. Pióropusz sadzy zawija się w spiralę, w taki sam sposób, w jaki krople tworzą spiralę w ogrodowym zraszaczu.

Badacze odkryli, że WR140 ma jeszcze inne sztuczki w rękawie. Obie gwiazdy nie znajdują się na kolistych, lecz raczej eliptycznych orbitach, a produkcja pyłu włącza się i wyłącza, gdy układ podwójny zbliża się i oddala od punktu najbliższego zbliżenia. Poprzez modelowanie tych efektów w trójwymiarowej geometrii pióropusza pyłowego, astronomowie byli w stanie zmierzyć położenie cech pyłu w przestrzeni trójwymiarowej.

„Jak w zegarku, ta gwiazda wypuszcza wyrzeźbione pierścienie dymu co osiem lat, z całą tą wspaniałą fizyką zapisaną następnie nadmuchaną na wietrze jak sztandar dla nas do czytania,” powiedział współautor profesor Peter Tuthill z University of Sydney. „Osiem lat później, gdy binarna powraca na swoją orbitę, pojawia się kolejna, taka sama jak poprzednia, wypuszczając strumień w przestrzeń wewnątrz bańki poprzedniej, jak zestaw gigantycznych zagnieżdżonych rosyjskich lalek”.

Ponieważ pył wytwarzany przez ten Wolf-Rayet jest tak przewidywalny i rozszerza się na tak duże odległości, zaoferował astronomom unikalne laboratorium do badania strefy przyspieszenia.

„Przy braku sił zewnętrznych, każda spirala pyłu powinna rozszerzać się ze stałą prędkością,” powiedział Han, który jest również współautorem pracy o JWST. „Na początku byliśmy zdziwieni, ponieważ nie mogliśmy uzyskać dopasowania naszego modelu do obserwacji, aż w końcu zdaliśmy sobie sprawę, że widzimy coś nowego. Dane nie pasowały, ponieważ prędkość ekspansji nie była stała, ale raczej przyspieszała. Po raz pierwszy uchwyciliśmy to na kamerze”.

„W pewnym sensie zawsze wiedzieliśmy, że to musi być powód wypływu, ale nigdy nie marzyłem, że będziemy w stanie zobaczyć fizykę w pracy w taki sposób,” powiedział Tuthill. „Kiedy patrzę teraz na dane, widzę, że pióropusz WR140 rozwija się jak gigantyczny żagiel z pyłu. Kiedy łapie wiatr fotonów płynący od gwiazdy, jak jacht łapiący podmuch, wykonuje nagły skok do przodu.”

Dzięki działającemu obecnie JWST, naukowcy mogą dowiedzieć się znacznie więcej o WR140 i podobnych układach. „Teleskop Webb oferuje nowe ekstrema stabilności i czułości” – powiedział Ryan Lau, który kierował badaniem JWST. „Będziemy teraz w stanie przeprowadzić obserwacje takie jak ta o wiele łatwiej niż z ziemi, otwierając nowe okno na świat fizyki Wolfa-Rayeta”.

Badania zostały sfinansowane częściowo przez Gates Cambridge Trust.

Źródło: University of Cambridge. Sarah Collin