Teleskop Webba uchwycił niezwykły widok ikonicznej Mgławicy Pierścień

Teleskop Webba sfotografował w bliskiej i średniej podczerwieni jedną z najbardziej znanych mgławic planetarnych, czyli Mgławicę Pierścień (M57, NGC 6720). W publikacji naukowej analizującej najnowsze zdjęcia M57 astronomowie sugerują, że obecność gwiezdnego towarzysza mogła uformować jej eliptyczny kształt.

Kiedyś uważano, że mgławice planetarne są bardzo prostymi, sferycznymi obiektami z pojedynczą, dokonującą żywota na ciągu głównym gwiazdą w centrum. Nazwę zawdzięczają podobieństwu do rozmytych obiektów podobnych do planet przy obserwacjach przez małe teleskopy. Podobny los czeka również nasze Słońce za dobrych parę miliardów lat.
Zaledwie kilka tysięcy lat temu gwiazda była jeszcze czerwonym olbrzymem skupiającym prawie całą masę gwiazdy. Teraz – w ramach ostatniego pożegnania, gorące jądro gwiazdy centralnej jonizuje i rozgrzewa wyrzucony gaz, a mgławica reaguje na to kolorową feerią barw. Współczesne obserwacje pokazują, że większość mgławic planetarnych wykazuje zapierającą dech złożoność.
Nasuwa się więc pytanie – 
w jaki sposób sferycznie symetryczna gwiazda tworzy tak złożone i subtelne, niesferyczne struktury?

Mgławica Pierścień jest idealnym celem do zbadania niektórych tajemnic mgławic planetarnych. Jest dobrze znanym obiektem, który znajduje się w gwiazdozbiorze Lutni w odległości około 2200 l.św. od Ziemi. Można ją zobaczyć w ciemne noce w lornetce przez całe lato na półkuli północnej oraz części południowej. Natomiast już w małych teleskopach widać jej charakterystyczny kształt podobny do pączka, któremu zawdzięcza nazwę Mgławicy Pierścienia.

W centrum Mgławicy Pierścień znajduje się gwiazda-biały karzeł o masie 0,58 M_ʘ, temperaturze efektywnej 135000 K i 310 razy jaśniejszy od Słońca. Biały karzeł znajduje się w fazie szybkiego spadku jasności.

W połowie 2022 roku grupa astronomów kierowana przez Rogera Wessona (Cardiff University) obserwowała Mgławicę Pierścień za pomocą Teleskopu Webba z wykorzystaniem kamery NIRCam (Near-Infrared Camera) w bliskiej podczerwieni (obserwacje o długości fali λ ≤ ~5μm) oraz instrumentu MIRI (Mid-InfraRed Instrument) w średniej podczerwieni (λλ ~ 5μm-25μm). Astronomowie zrobili zdjęcia M57 w 13 filtrach w zakresie spektralnym λλ ~ 1,6μm – 25μm. Analiza tych zdjęcia zostanie wkrótce opublikowana w czasopiśmie astronomicznym MNRAS, a na razie jest dostępna w archiwum preprintów naukowych arXiv:2308.09027 [astro-ph.SR]. Poniżej zostały zaprezentowane główne wnioski z tej publikacji.

​

Na ilustracji (1): Nazwy struktur w Mgławicy Pierścień (M57) nałożone na trójkolorowe zdjęcie uzyskane przez Teleskop Webba w barwach o średnich długościach fali λλ~3,0μm+5,6μm+7,7μm (2 zdjęcia NIRCam+1 MIRI). Na zdjęciu „CS” oznacza gwiazdę centralną, która wyrzuciła otoczkę zwaną Mgławicą Pierścień, natomiast „Comp” – prawdopodobnego gwiezdnego towarzysza gwiazdy centralnej „CS”. Zaznaczono również wyraźne wewnętrzne i zewnętrzne granice otoczki (ang. shell); centralną, bardzo gorącą pustkę (ang. cavity) i „paski” materii oraz globule (=zagęszczenia molekularnego wodoru) w niej zawarte (ang. strips / globules). Poza otoczką w obrębie halo zaznaczono przykłady „kolców” (ang. spikes) oraz struktury koncentryczne (ang. concentric structures) zwane również łukami (ang. arcs). Źródło (CC BY 4.0): arXiv:2308.09027 [astro-ph.SR]

Najnowszych zdjęcia w bliskiej i średniej podczerwieni uzyskane za pomocą Telskopu Webba zszokowały astronomów niespotykanym poziomem szczegółowości, który ujawniły. Analizując te zdjęcia astronomowie zauważyli centralną, bardzo gorącą pustkę (ang. cavity → ilustracja(1)) z silnie zjonizowanym gazem i prezentującą dwie liniowe struktury. Ogólnie ta pustka wydaje się mieć mniej więcej okrągły kształt o promieniu około 25”. Otoczka (ang. shell → ilustracja(1)) otaczająca tą pustkę jest szerokim obszarem z dobrze określonym wewnętrznym i zewnętrznym brzegiem i prezentuje kształt eliptyczny.

Okazało się również, że środek Mgławicy Pierścień jest przesunięty o ~2” na północny-zachód od gwiazdy centralnej. Astronomowie przypuszczają, że ten offset może być spowodowany początkową utratą masy, jonizacją i gorącym wiatrem gwiazdowym.

Obserwacje z Teleskopu Webba wskazują na to, że jest potrójny system gwiazdowy. Astronomowie odkryli, że gwiazda centralna ma jednego towarzysza („comp” → ilustracja(1)) w odległości około 35 j.a. (mniej więcej odległość Ziemia-Pluton) oraz drugiego, dalekiego towarzysza gwiezdnego około 14400 j.a, który najprawdopodobniej jest gwiazdą ciągu głównego o typie widmowym M2-M4.

W tej mgławicy wyraźna struktura pierścienia składa się z około 20 tysięcy oddzielnych skupisk (… globul) gęstego molekularnego wodoru. Każda taka globula posiada masę porównywalną z masą Ziemi. Ocenia się, że we wszystkich globulach znajduje się nawet połowa masy tej mgławicy.

Szczególnie w obrębie jasnego pierścienia widać wąskie pasma z emisjami pochodzącymi najprawdopodobniej od wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych PAH (skrót z j.ang. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons), czyli złożonych związków chemicznych zawierających atomy węgla, których detekcji nie oczekiwano do tej pory w tych obiektach.

Zaobserwowano również 400 osobliwych „kolców” (ang. spikes) poza głównym pierścieniem, które wskazują na gwiazdę centralną. Te kolce były widoczne już na zdjęciach z Teleskopu Hubble’a, ale dopiero na podczerwonych fotkach z Webba znacznie zyskały na wyrazistości. Astronomowie spekulują, że te struktury mogą być spowodowane obecnością molekuł powstających w cieniu najgęstszych obszarów pierścienia, gdzie są one ekranowane od bezpośredniego promieniowania z gwiazdy centralnej.

Ważnym punktem zwrotnym na zdjęciu z instrumentu MIRI w średniej podczerwieni jest widok słabego halo molekularnego na zewnątrz jasnego pierścienia. Najbardziej zadziwiające jest dziesięć, regularnie rozmieszczonych w przestrzeni, koncentrycznych struktur zwanych też łukami, które zostały odkryte w tym subtelnym halo. Te koncentryczne łuki, które pojawiają się co 280 lat, stanowią zagadkę. Może to być wpływ gwiezdnego towarzysza w tym systemie, który orbituje w odległości porównywalnej z odległością Ziemia-Pluton w naszym Układzie Słonecznym. Wydaje się, że ten towarzysz w gwiezdnym układzie podwójnym kształtował wypływ materii, gdy gwiazda centralna wyrzucała swoje zewnętrzne warstwy podczas transformacji w mgławicę planetarną.

Konsekwencje tych obserwacji rozciągają się daleko poza samą Mgławicę Pierścień. Stanowią wyzwanie dla rozumienia procesów powstawania mgławic planetarnych i sugerują, że udział towarzysza gwiezdnego jest decydujący w powstawaniu tych misternych i fascynujących struktur, które uświetniają nasz Wszechświat.

Więc wracając do pytania postawionego na początku:
w jaki sposób sferycznie symetryczna gwiazda tworzy tak złożone mgławice jak Mgławica Pierścień?
Pewna pomoc ze strony gwiezdnego towarzysza może być w znacznej części odpowiedzią na to pytanie.

​

Na ilustracji (2): Zdjęcie ikonicznej Mgławicy Pierścień (M57, NGC 6720) wykonane przez Teleskop Webba współpracujący z kamerą NIRCam (Near-Infrared Camera) o bezprecedensowej szczegółowości. Mgławica Pierścień jest archetypem mgławicy planetarnej, która powstała, gdy zaawansowana wiekiem gwiazda odrzuciła otoczkę z powodu braku paliwa jądrowego. Na tym zdjęciu  w bliskiej podczerwieni szczególnie dobrze widać misterną strukturę włókien wewnętrznego pierścienia. Widać około 20 tysięcy gęstych globuli bogatych w molekularny wodór. W przeciwieństwie do tego, w centralnym obszarze znajduje się bardzo gorący gaz. Główna otoczka  jest delikatnym pierścieniem, w którym intensywnie świecą molekuły zawierające węgiel – takie jak np. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne PAH. Źródło: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Barlow (University College London), N. Cox (ACRI-ST), R. Wesson (Cardiff University)

​

Na ilustracji (3): Zdjęcie ikonicznej Mgławicy Pierścień (M57, NGC 6720) wykonane przez Teleskop Webba współpracujący z instrumentem MIRI (Mid-InfraRed Instrument). Szczególnie dobrze na tym zdjęciu w średniej podczerwieni uwydatnione są koncentryczne struktury zewnętrznych obszarów pierścienia. Tuż za głównym pierścieniem znajduje się 10 koncentrycznych łuków (patrz również ilustracja(1)). Uważa się, że te łuki powstały w wyniku oddziaływania gwiazdy centralnej z małomasywnym gwiezdnym towarzyszem orbitującym w odległości porównywalnej do Ziemia-Pluton w naszym Układzie Słonecznym. Źródło: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Barlow (University College London), N. Cox (ACRI-ST), R. Wesson (Cardiff University)

Opracowanie: Ryszard Biernikowicz

Więcej informacji:

Publikacja naukowa (arXiv): JWST observations of the Ring Nebula (NGC 6720): I. Imaging of the rings, globules, and arcs

Webb Reveals Intricate Details in the Remains of a Dying Star
James Webb Telescope captures remarkable images of the iconic Ring Nebula
Webb Reveals Intricate Details in the Remains of a Dying Star
JWST observations explore the structure of the Ring Nebula

Źródło: ESA/Webb, NASA, CSA

Na ilustracji: Zdjęcia ikonicznej Mgławicy Pierścień wykonane przez Teleskop Webba współpracujący z kamerą NIRCam w bliskiej podczerwieni (po lewej) i średniej podczerwieni przez instrument MIRI (po prawej). Na zdjęciu z kamery NIRCam szczególnie dobrze widać misterną strukturę włókien wewnętrznego pierścienia, zaś instrument MIRI szczególnie dobrze uwydatnił koncentryczne struktury zewnętrznych obszarów tego pierścienia. Źródło: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Barlow (University College London), N. Cox (ACRI-ST), R. Wesson (Cardiff University)