Na zdjęciu wykonanym przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba widać „odcisk palca” o kosmicznej wielkości około roku świetlnego. W rzeczywistości jest to struktura złożona przynajmniej z 17 pierścieni pyłowych, utworzonych przez parę wyjątkowych gwiazd, które zostały zamknięte przez prawa mechaniki we wspólnym tańcu na sferze niebieskiej.
Nowe zdjęcie z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ujawniło fascynujący widok przynajmniej 17 koncentrycznych pierścieni pyłowych wyłaniających się z podwójnego układu gwiazdowego. Ta para gwiazd znajduje się w odległości ponad 5 tysięcy l.św. od Ziemi i zbiorczo jest nazywana Wolf-Rayet 140 (w skrócie WR 140).
Każdy pierścień utworzył się, gdy obie gwiazdy zbliżyły się w ruchu orbitalnym i spotkały się ich wiatry gwiazdowe (strumień gazu wywiewany z gwiazd w przestrzeń kosmiczną). Wtedy nastąpiło zagęszczenie gazu i powstanie pyłu. W układzie WR 140 takie zjawisko ma miejsce mniej więcej co osiem lat – ostatnio w 2016 roku gwiazdy były najbliżej względem siebie. Każde takie spotkanie na orbicie pozostawia ślad w postaci oczek pyłowych – niczym słoje w pniach drzew.
Od ponad wieku obserwujemy emisję pyłu w tym systemie – powiedział astronom Ryan Lau pracujący w NOIRLab, a zarazem główny autor publikacji, która ukazała się w prestiżowym Nature Astronomy. To zdjęcie pokazuje również jak czuły jest ten teleskop. Poprzednio widzieliśmy tylko dwa pierścienie pyłowe, wykorzystując teleskopy naziemne. Teraz widzimy ich przynajmniej 17.
Oprócz ogólnej czułości teleskopu Webba, współpracujący z nim „kombajn” MIRI (kamera+spektrometr+koronograf) jest wyjątkowo predysponowany do obserwacji tych pierścieni pyłowych lub – jak to nazywa Lou ze współpracownikami – otoczek, ponieważ są one grubsze i szersze, niż wydają się na omawianym zdjęciu. Instrumenty naukowe teleskopu Webba rejestrują promieniowanie podczerwone, które nie jest widoczne ludzkim okiem. MIRI „widzi” promieniowanie podczerwone o największych długościach fali (MIRI: 5-28 μm vs ludzie oko: ~0,55 μm) – co oznacza, że często może zaobserwować chłodniejsze obiekty, niż inne instrumenty teleskopu Webba. Spektrometr MIRI ujawnił również skład pyłu, który uformował się głównie z materiału wyrzuconego z gwiazdy Wolfa-Rayeta.
Infografika z instrumentami Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i ich zakresem obserwacji promieniowania elektromagnetycznego w długości fali wyrażonej w mikronach / mikrometrach (1μm=0,000001m). MIRI (skrót od Mid-Infrared Instrument, j.t.kamera+spektrometr+koronograf) obserwuje w średnim zakresie promieniowania podczerwonego (ang. mid-infrared) 5-28 μm i przeznaczony jest m. in. do obserwacji planet, komet, asteroid, pyłu rozgrzanego światłem gwiazd i dysków protoplanetarnych. Źródło: NASA
Gwiazdy typu Wolfa-Rayeta często oznaczane są skrótem W-R lub WR. Są to niezwykłe gwiazdy, które są bardzo masywne (zwykle 10-25 Mʘ), ekstremalnie gorące (temperatura efektywna ~20-210 tysięcy K) i wyjątkowo jasne. Gwiazdy Wolfa-Rayeta zostały odkryte w 1867 roku przez C. J. Wolfa i G. Rayeta. Te gwiazdy w sposób ciągły wyrzucają swoją zewnętrzną atmosferą w postaci bąblowatych, gazowo-cząsteczkowych otoczek, generując silny wiatr gwiazdowy.
Gwiazdy typu Wolfa-Rayeta były kiedyś gwiazdami typu widmowego "O" o masie początkowej przynajmniej 25 Mʘ. Teraz są w końcowym etapie swojego życia i najprawdopodobniej w końcu zapadną się do czarnej dziury. Generują one potężny wiatr, który wyrzuca ogromną ilość gazu w przestrzeń. Gwiazda Wolfa w tym szczególnym układzie podwójnym WR 140 mogła stracić w ten sposób więcej niż połowę początkowej masy.
Porównanie względnej wielkości Słońca i obu masywnych gwiazd w układzie podwójnym WR 140. Gwiazda typu widmowego O posiada masę około 30 Mʘ, a jej bardziej zaawansowany ewolucyjnie towarzysz, czyli gwiazda typu Wolfa-Rayeta – około 10 Mʘ. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Powstawanie pyłu w wietrze gwiazdowym
Transformacja gazu w pył jest podobna do przemiany mąki w chleb – wymaga specyficznych warunków i składników. Najpowszechniej występujący pierwiastek w gwiazdach, czyli wodór, nie może samodzielnie wytworzyć pyłu. Gwiazdy Wolfa-Rayeta tracą tak dużo masy, że przy okazji pozbywają się również cięższych pierwiastków (w tym C – węgiel), które zwykle znajdują się w głębszych warstwach gwiazdy. Atomy cięższych pierwiastków w wietrze gwiazdowym schładzają się w miarę, jak przemieszczają się w przestrzeni i następnie sprężają się w obszarze zderzenia wiatrów obu gwiazd – podobnie, jak dwie dłonie ugniatające ciasto.
Zaobserwowano, że wokół niektórych gwiazd Wolfa-Rayeta powstaje pył, ale żadna nie ma pierścieni takich jak WR 140. Taka unikalna struktura powstaje, ponieważ orbita gwiazdy Wolfa-Rayeta w układzie WR 140 nie jest kołowa, ale eliptyczna. Gdy obie gwiazdy zbliżą się do siebie na odległość około 1 j.a. (odległość Ziemia – Słońca) a ich wiatry zderzą się, to dopiero wtedy gaz posiada wystarczające ciśnienie do utworzenia pyłu. W układach podwójnych z gwiazdami Wolfa-Rayeta o orbitach kołowych pył może być generowany w sposób ciągły.
Lau ze współpracownikami uważają, że wiatry w układzie WR 140 „sprzątają” również otaczający obszar z pozostałości materii, z którą mogłyby się zderzyć. Może to wyjaśniać, dlaczego pierścienie są tak wyraźne – bez efektu rozmazania lub rozproszenia. Najprawdopodobniej jest nawet więcej pierścieni wokół WR 140, ale stały się jednak tak słabe i rozmyte, że nawet nie widać ich przez teleskop Webba.
Gwiazdy Wolfa-Rayeta mogą wydawać się egzotyczne w porównaniu do Słońca. Tym nie mniej mogą one odgrywać istotną rolę w powstawaniu gwiazd i planet. Materia zagęszczona podczas oczyszczania swojego otoczenia przez gwiazdę Wolfa-Rayeta, może zbierać się w zewnętrznych obszarach i stać się wystarczająco gęsta, by tworzyć nowe gwiazdy. Są pewne dowody (np. stosunki izotopów Al i Fe), które wskazują na taki scenariusz powstania naszego Słońca.
MIRI pracujący w modzie spektrometru dostarczył najlepsze do tej pory dowody na to, że gwiazdy Wolfa Rayeta produkują molekuły pyłu bogate w węgiel. Co więcej – istnienie otoczki pyłowej wskazuje na to, że ten pył może przetrwać w niegościnnym środowisku pomiędzy gwiazdami, by zapewnić materiał do budowy przyszłych gwiazd i planet.
Kruczek polega na tym, że astronomowie szacują liczbę wszystkich gwiazd Wolfa-Rayeta w Drodze Mlecznej na co najmniej kilka tysięcy. Natomiast to tej pory odkryto tylko około 600 takich obiektów.
Nawet jeżeli gwiazdy Wolfa-Rayeta są rzadkie w naszej Galaktyce, ponieważ żyją krótko jak na gwiazdy, to jest możliwe, że wyprodukowały dużo pyłu w historii Galaktyki, zanim wybuchły i/lub utworzyły czarne dziury – powiedział Patrick Morris współautor publikacji w Nature i astrofizyk pracujący w Caltech (Pasadena, California, USA). Uważam, że korzystając z nowego teleskopu dowiemy się znacznie więcej o tym, jak te gwiazdy kształtują materię pomiędzy gwiazdami i włączają w galaktykach proces powstawania nowych gwiazd.
Seria widoków obrazujących powstawanie pyłu w układzie podwójnym WR 140, gdzie upływ czasu na rysunkach jest zgodny z ruchem wskazówek zegara. Jest to widok z góry na płaszczyznę orbity. W tym układzie gwiazda typu Wolfa-Rayeta (czyli gęste jądro „starzejącej się” gwiazdy masywnej) i gwiazda typu widmowego O krążą wokół wspólnego środka masy po silnie eliptycznych orbitach, a ich wiatry gwiazdowe zderzają się, gdy gwiazdy zbliżą się. Wymieszana materia jest głównie wydmuchiwana w stronę gwiazdy O i po schłodzeniu wytwarza się pył. Zgodnie z prawami mechaniki, gwiazda Wolfa-Rayeta krąży po trzykrotnie większej orbicie niż gwiazda O, ponieważ jej masa jest około trzy razy mniejsza (~10Mʘ/30Mʘ). Pełną animację ruchu orbitalnego układu WR 140 można obejrzeć tutaj. Oprac. na podstawie filmu NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)
Więcej informacji:
- Publikacja naukowa (dostęp otwarty - Creative Commons CC-BY license): Nested dust shells around the Wolf–Rayet binary WR 140 observed with JWST, Oryginalna wersja PDF: Nested dust shells around the Wolf–Rayet binary WR 140 observed with JWST
- Cosmic fingerprint around Wolf Rayet 140 revealed by James Webb Telescope, Star Duo Forms ‘Fingerprint’ in Space, NASA’s Webb Finds
- Youtube: Cosmic Dust Rings Spotted by NASA’s James Webb Space Telescope
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Źródło: NASA/JPL-Caltech
Na ilustracji: uzyskany przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba widok kosmicznego „odcisku palca” na sferze niebieskiej o wielkości aż ~70 tysięcy j.a. (~45”), czyli trochę ponad 1 rok świetlny. Są to pierścienie pyłowe wokół podwójnego układu gwiazdowego WR 140 w gwiazdozbiorze Łabędzia, który składa się z gwiazd masywnych (gwiazda Wolfa-Rayeta + gwiazda typu widmowego O). Wokół tego układu co osiem lat powstaje warstwa pyłu, która wygląda jak pierścień. Każdy taki pierścień powstaje podczas kolizji wiatrów gwiazdowych, gdy obie gwiazdy zbliżają się do siebie w ruchu orbitalnym. Źródło: NASA/ESA/CSA/STScl/JPL-Caltech
