Con quasi due decenni di imaging nel medio infrarosso (IR) dai più grandi osservatori di tutto il mondo, incluso il telescopio Subaru, un team di astronomi è stato in grado di catturare il movimento a spirale della polvere appena formata che scorre dal sistema stellare binario massiccio ed evoluto Wolf-Rayet (WR) 112. Enormi sistemi stellari binari, così come esplosioni di supernova, sono considerati fonti di polvere nell'Universo fin dalla sua prima storia, ma il processo di produzione della polvere e la quantità di polvere espulsa sono ancora questioni aperte. WR 112 è un sistema binario composto da una stella massiccia nella fase molto avanzata dell'evoluzione stellare che perde una grande quantità di massa e un'altra stella massiccia nella sequenza principale. Si prevede che si formerà polvere nella regione in cui i venti stellari di queste due stelle si scontrano. Lo studio rivela il movimento del deflusso polveroso dal sistema e identifica WR 112 come una fabbrica di polveri altamente efficiente che produce un'intera massa terrestre di polvere ogni anno.

Formazione di polvere, che si vede tipicamente nei dolci deflussi da stelle fredde con una massa simile al Sole, è alquanto insolito nell'ambiente estremo intorno a stelle massicce e ai loro venti violenti. Però, cose interessanti accadono quando i venti veloci di due stelle massicce in un binario interagiscono.

"Quando i due venti si scontrano, si scatena l'inferno, compreso il rilascio di copiosi raggi X a gas shock, ma anche la creazione (a prima vista sorprendente) di abbondanti quantità di particelle di polvere di aerosol a base di carbonio in quelle binarie in cui una delle stelle si è evoluta fino a bruciare He, che produce il 40% di C nei suoi venti, " afferma il coautore Anthony Moffat (Università di Montreal). Questo processo di formazione della polvere è esattamente ciò che sta accadendo in WR 112. (Nota 1)

Questo fenomeno di formazione di polvere binaria è stato rivelato in altri sistemi come WR 104 dal coautore Peter Tuthill (Università di Sydney). WR 104, in particolare, rivela un'elegante scia di polvere simile a una "girandola" che traccia il movimento orbitale del sistema stellare binario centrale (vedi www.physics.usyd.edu.au/~gekko … inwheel/movie_11.gif)

Però, la nebulosa polverosa intorno a WR 112 è molto più complessa di un semplice schema a girandola. Decenni di osservazioni a più lunghezze d'onda hanno presentato interpretazioni contrastanti del deflusso polveroso e del movimento orbitale di WR 112. Dopo quasi 20 anni di incertezza su WR 112, le immagini dello strumento COMICS sul telescopio Subaru scattate nell'ottobre 2019 hanno fornito il pezzo finale e inaspettato del puzzle.

"Abbiamo pubblicato uno studio nel 2017 su WR 112 che suggeriva che la nebulosa polverosa non si muoveva affatto, quindi ho pensato che la nostra osservazione COMICS lo avrebbe confermato, " ha spiegato l'autore principale Ryan Lau (ISAS/JAXA). "Con mia grande sorpresa, l'immagine COMCIS ha rivelato che il guscio polveroso si era decisamente spostato dall'ultima immagine che abbiamo scattato con il VLT nel 2016. Mi ha confuso così tanto che non sono riuscito a dormire dopo la corsa osservativa:ho continuato a sfogliare le immagini finché non si è finalmente registrato in la mia testa che la spirale sembrava stesse precipitando verso di noi."

Lau ha collaborato con ricercatori dell'Università di Sydney, tra cui il prof. Peter Tuthill e lo studente universitario Yinuo Han, esperti nel modellare e interpretare il moto delle spirali polverose da sistemi binari come WR 112. "Ho condiviso le immagini di WR 112 con Peter e Yinuo, e sono stati in grado di produrre uno straordinario modello preliminare che ha confermato che il polveroso flusso a spirale sta ruotando nella nostra direzione lungo la nostra linea di vista, " disse Lau.

L'animazione sopra mostra un confronto tra i modelli di WR 112 creati dal team di ricerca insieme alle osservazioni effettive nel medio infrarosso. L'aspetto delle immagini del modello mostra un notevole accordo con le immagini reali di WR 112. I modelli e la serie di osservazioni di immagini hanno rivelato che il periodo di rotazione di questa polverosa spirale "edge-on" (e il periodo orbitale del sistema binario centrale ) è di 20 anni.

Con l'immagine rivista di WR 112, il team di ricerca è stato in grado di dedurre quanta polvere si sta formando questo sistema binario. "Le spirali sono schemi ripetitivi, quindi poiché capiamo quanto tempo ci vuole per formare un giro completo di spirale polverosa (~ 20 anni), possiamo effettivamente tracciare l'età della polvere prodotta dalle stelle binarie al centro della spirale, " dice Lau. Egli fa notare che "c'è polvere appena formata al centro molto centrale della spirale, mentre la polvere che vediamo a quattro giri di spirale ha circa 80 anni. Perciò, possiamo essenzialmente tracciare un'intera vita umana lungo il polveroso flusso a spirale rivelato nelle nostre osservazioni. Quindi potrei effettivamente individuare sulle immagini la polvere che si è formata quando sono nato (in questo momento, è da qualche parte tra la prima e la seconda spirale)."

Con loro sorpresa, il team ha scoperto che WR 112 è una fabbrica di polveri altamente efficiente che emette polvere a una velocità di 3x10 ^-6 massa solare all'anno, che equivale a produrre un'intera massa terrestre di polvere ogni anno. Questo era insolito dato il periodo orbitale di 20 anni di WR 112:i produttori di polvere più efficienti in questo tipo di sistema stellare binario WR tendono ad avere periodi orbitali più brevi di meno di un anno come WR 104 con il suo periodo di 220 giorni. WR 112 dimostra quindi la diversità dei sistemi binari WR che sono in grado di formare polvere in modo efficiente e mette in evidenza il loro ruolo potenziale come fonti significative di polvere non solo nella nostra Galassia, ma anche in galassie oltre la nostra.

Infine, questi risultati dimostrano il potenziale di scoperta dell'imaging mid-IR multi-epoca con lo strumento MIMIZUKU sull'imminente Tokyo Atacama Observatory (TAO). I risultati nel medio IR di questo studio utilizzano in particolare i più grandi osservatori del mondo e preparano il terreno per il prossimo decennio di scoperte astronomiche con telescopi di classe 30 m e l'imminente James Webb Space Telescope.

(Nota 1) Le stelle Wolf-Rayet (WR) sono stelle evolute molto massicce che hanno già perso il loro involucro ricco di idrogeno. La superficie di questi oggetti è ricca di elementi pesanti come il carbonio prodotto dal processo interno di combustione dell'elio. Ciò si traduce nell'espulsione dalle stelle WR comprese le frazioni elevate di carbonio e altri elementi pesanti, in contrasto con il materiale ricco di idrogeno espulso dalle solite stelle evolute, formando una grande quantità di polvere.