Nowe obserwacje WR 112 z JWST i ALMA pokazują, że jeden z największych producentów pyłu w naszej Galaktyce tworzy głównie niezwykle drobne, węglowe ziarenka – zaskakująco małe jak na tak potężną gwiazdę.
Pył międzygwiazdowy kojarzy się zwykle z bezosobowym brudem unoszącym się w galaktykach. Tymczasem jego źródła to konkretne, bardzo ekstremalne obiekty – w tym masywne gwiazdy podwójne z gwiazdami Wolfa–Rayeta. Nowe badania układu WR 112 pokazują, że takie układy mogą produkować zdumiewająco małe, węglowe ziarna pyłu, przy czym ich rozmiary są kluczem do zrozumienia, ile materii stałej faktycznie trafia do przestrzeni międzygwiazdowej.
WR 112 to masywny układ podwójny zawierający rzadką, węglową gwiazdę Wolfa–Rayeta (typ WC) i gorącego towarzysza typu OB. Obie gwiazdy tracą masę w postaci bardzo silnych wiatrów gwiazdowych, które zderzając się, tworzą gęsty, schładzający się front uderzeniowy. W takich warunkach atomy węgla mogą łączyć się w cząstki stałe, a promieniowanie gwiazd wywiewa świeżo uformowany pył na zewnątrz, rysując wokół układu charakterystyczny spiralny wzór, przypominający kosmiczną, fajerwerkową wstęgę.
Przestrzeń wokół WR 112 astronomowie badali dotąd głównie w podczerwieni, gdzie świeci ciepły pył. Obrazy z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) ujawniły jasne, spiralne łuki pyłowe oddalone od gwiazdy o tysiące jednostek astronomicznych. Struktury te są stosunkowo proste geometrycznie, co czyni WR 112 idealnym laboratorium do badania własności ziaren – w przeciwieństwie do bardziej złożonych, wieloskładnikowych układów pyłowych.
Nowa praca Donglina Wu i współautorów uzupełnia dane JWST o obserwacje interferometru ALMA w paśmie około 1,3 mm. To pierwsze milimetrowe obserwacje układu WC, które są w stanie rozdzielić przestrzennie emisję pyłu od samej gwiazdy. Na mapach ALMA widać jednak jedynie punktowe źródło w miejscu WR 112, natomiast brak jakiejkolwiek rozciągłej struktury o jasności powyżej poziomu szumu – spiralne łuki widoczne w podczerwieni znikają w milimetrowym zakresie.
Sam fakt braku detekcji stanowi istotną informację. Emisja w milimetrach pochodzi przede wszystkim od stosunkowo dużych ziaren, o rozmiarach zbliżonych do setnych części milimetra, które bardzo efektywnie promieniują przy długich falach. Skoro ALMA nie widzi spiral, to znaczy, że takich dużych ziaren wokół WR 112 musi być bardzo mało. Autorzy wykorzystali górne limity jasności z ALMA, połączone ze szczegółowymi danymi JWST, aby zbudować przestrzennie rozdzielony widmowy rozkład energii (SED) dla kolejnych łuków pyłowych.
Analiza SED wskazuje jednoznacznie, że emisja pyłu jest zgodna z obecnością ubogich w wodór, amorficznych ziaren węgla, o rozmiarach mniejszych niż 1 mikrometr. Co więcej, rozszerzone struktury spiralne wydają się zdominowane przez ziarna nanometryczne – o rozmiarach rzędu pojedynczych miliardowych części metra. Zespół przetestował kilka modeli rozkładu rozmiarów, dochodząc do wniosku, że najlepiej działa rozkład dwumodalny: liczna populacja nanometrycznych ziaren oraz wtórna populacja ziaren o promieniach około 0,1 mikrometra.
Taki dwumodalny rozkład pomaga pogodzić wcześniejsze, sprzeczne ustalenia dotyczące pyłu w układach Wolfa–Rayeta. Część badań sugerowała dominację bardzo małych ziaren, o rozmiarach kilkunastu nanometrów, inne zaś wymagały obecności większych cząstek rzędu dziesiątych części mikrometra, by wyjaśnić własności widmowe i polaryzacyjne. WR 112 okazuje się przypadkiem, w którym faktycznie występują obie populacje – bardzo drobne nanopyły oraz rzadsze, większe ziarna.
Autorzy pracy rozważają także fizyczne mechanizmy, które mogłyby doprowadzić do takiego rozkładu rozmiarów. W silnym polu promieniowania masywnych gwiazd ziarna pyłu mogą być niszczone przez procesy takie jak sublimacja promienio‑napędzana czy tzw. radiative torque disruption, czyli rozrywanie ziaren przez momenty obrotowe generowane przez promieniowanie. Z modeli wynika, że w określonych warunkach najłatwiej ulegają zniszczeniu ziarna pośrednie – ani najmniejsze, ani największe – co naturalnie prowadzi do dwumodalnego rozkładu, który obserwuje się w WR 112.
WR 112 jest przy tym jednym z najbardziej wydajnych źródeł pyłu węglowego w swojej klasie. Szacuje się, że jego roczna produkcja odpowiada masie około trzech mas Księżyca, co czyni taki układ istotnym graczem w bilansie pyłu w Galaktyce. To, jak małe są ziarna, ma bezpośrednie znaczenie dla ich dalszego losu: bardzo drobne cząstki łatwiej ulegają niszczeniu w gorącym ośrodku międzygwiazdowym, ale też skuteczniej wpływają na procesy takie jak ogrzewanie gazu czy powstawanie cząsteczek na powierzchni ziaren.
Nowe wyniki wpisują się w szerszy obraz roli masywnych gwiazd w cyklu życia materii w Galaktyce. W ostatnich latach dużo uwagi poświęcano pyłowi z gwiazd z asymptotycznej gałęzi olbrzymów czy supernowych, ale układy podobne do WR 112 pokazują, że także masywne, zwarte układy podwójne są istotnym źródłem pyłu węglowego – choć o bardzo specyficznych, nanometrycznych rozmiarach ziaren. Dzięki połączeniu możliwości JWST i ALMA astronomowie zaczynają nie tylko widzieć pył wokół takich gwiazd, ale też rozumieć, jak drobny w skali kosmicznej jest budulec przyszłych planet i układów planetarnych.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- A study in stardust: Massive binary stars emit tiny carbon particles
- Constraining Properties of Dust Formed in Wolf–Rayet Binary WR 112 Using Mid-infrared and Millimeter Observations
Źródło: Yale University
Na ilustracji: Wizja artystyczna WR 112, układu podwójnego zawierającego masywną, wyewoluowaną gwiazdę Wolfa-Rayeta i towarzysza typu OB. Gdy ich wiatry gwiazdowe zderzają się, powstaje pył, który spiralnie się rozchodzi, składając się głównie z niezwykle drobnych ziaren o rozmiarach nanometrów, wraz z populacją wtórną około 100 razy większą. Źródło: NSF/AUI/NSF NRAO/M. Weiss
