Wyniki, wykonane na podstawie zdjęć w podczerwieni układu podwójnego gwiazd WR140, wykonanych przez 16 lat, zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
W uzupełniającym badaniu WR140, opublikowanym w Nature Astronomy, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) był w stanie zobaczyć znacznie głębiej, aby zrobić zdjęcie nie tylko jednego przyspieszającego pióropusza pyłu, ale prawie 20 z nich, zagnieżdżonych w sobie, jak gigantyczny zestaw skórek cebuli.
WR140 składa się z ogromnej gwiazdy Wolfa-Rayeta i jeszcze większego niebieskiego nadolbrzyma, związanego grawitacyjnie na ośmioletniej orbicie. Ta podwójna gwiazda w konstelacji Łabędzia jest monitorowana przez dwie dekady za pomocą jednego z największych na świecie teleskopów optycznych w Obserwatorium Kecka na Hawajach.
WR140 od czasu do czasu wydmuchuje pióropusze pyłu rozciągające się tysiące razy dalej od Ziemi do Słońca. Te pióropusze pyłu, wytwarzane co osiem lat, dają astronomom wyjątkową okazję do zaobserwowania, jak światło gwiazd może wpływać na materię.
Wiadomo, że światło przenosi pęd, wywierając nacisk na materię, znany jako ciśnienie promieniowania. Astronomowie często są świadkami wyniku tego zjawiska w postaci materii poruszającej się z dużą prędkością wokół kosmosu, ale był to trudny proces do uchwycenia na gorącym uczynku. Bezpośrednie rejestrowanie przyspieszenia wywołanego siłami innymi niż grawitacja jest rzadko spotykane i nigdy w takim gwiezdnym środowisku jak to.
„Trudno zobaczyć, jak światło gwiazd powoduje przyspieszenie, ponieważ siła zanika wraz z odległością, a inne siły szybko przejmują kontrolę” – powiedział Yinuo Han z Instytutu Astronomii w Cambridge, pierwszy autor artykułu w Nature. „Aby być świadkiem przyspieszenia na poziomie, który staje się mierzalny, materiał musi znajdować się dość blisko gwiazdy lub źródło ciśnienia promieniowania musi być bardzo silne. WR140 to gwiazda podwójna, której okrutne pole promieniowania doładowuje te efekty, umieszczając je w zasięgu naszych precyzyjnych danych”.
Wszystkie gwiazdy generują wiatry gwiezdne, ale te z gwiazd Wolfa-Rayeta mogą bardziej przypominać gwiezdny huragan. Pierwiastki takie jak węgiel w wietrze kondensują jako sadza, która pozostaje wystarczająco gorąca, aby świecić jasno w podczerwieni. Jak dym na wietrze, daje to teleskopom coś, co można obserwować.
Zespół wykorzystał technologię obrazowania znaną jako interferometria, która działała jak soczewka zmiennoogniskowa w 10-metrowym zwierciadle teleskopu Kecka, umożliwiając naukowcom uzyskanie wystarczająco ostrych obrazów WR140 do celów badawczych.
Han i jego zespół odkryli, że pył nie wylatuje z gwiazdy wraz z wiatrem w mglistej kuli. Zamiast tego pył tworzy się w miejscu zderzenia wiatrów z dwóch gwiazd, na powierzchni czołowej fali uderzeniowej w kształcie stożka między nimi.
Ponieważ orbitująca gwiazda podwójna jest w ciągłym ruchu, czoło wstrząsu również się obraca. Sadzasty pióropusz zwija się w spiralę w taki sam sposób, w jaki kropelki tworzą spiralę w zraszaczu ogrodowym.
Naukowcy odkryli, że WR140 ma w zanadrzu inne asy. Dwie gwiazdy nie znajdują się na orbitach kołowych, ale raczej eliptycznych, a wytwarzanie pyłu włącza się i wyłącza, gdy układ podwójny zbliża się i oddala od punktu najbliższego zbliżenia. Dzięki modelowaniu tych efektów w trójwymiarowej geometrii pióropusza pyłu astronomowie byli w stanie zmierzyć położenie cech pyłu w przestrzeni trójwymiarowej.
„Jak w zegarku, ta gwiazda co osiem lat wypuszcza rzeźbione pierścienie dymu, a cała ta cudowna fizyka jest napisana, a następnie nadmuchana na wietrze jak transparent, który możemy przeczytać” – powiedział współautor, profesor Peter Tuthill z University of Sydney. „Osiem lat później, gdy binarny powraca na swoją orbitę, inny pojawia się taki sam jak poprzedni, wylatując w przestrzeń wewnątrz bańki poprzedniego, jak zestaw gigantycznych zagnieżdżonych rosyjskich lalek”.
Ponieważ pył wytwarzany przez Wolfa-Rayeta 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 artykułu JWST. „Na początku byliśmy zaskoczeni, ponieważ nie mogliśmy dopasować 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 w aparacie”.
„W pewnym sensie zawsze wiedzieliśmy, że to musi być przyczyna odpływu, ale nigdy nie śniło mi się, że będziemy w stanie zobaczyć, jak działa fizyka” – powiedział Tuthill. „Kiedy teraz patrzę na dane, widzę pióropusz WR140 rozwija się jak gigantyczny żagiel zrobiony z pyłu. Kiedy łapie wiatr fotonowy płynący z gwiazdy, jak jacht łapiący podmuch, robi nagły skok do przodu”.
Po uruchomieniu JWST badacze mogą dowiedzieć się znacznie więcej o WR140 i podobnych systemach. „Teleskop Webba oferuje nowe ekstrema stabilności i czułości” – powiedział Ryan Lau, który kierował badaniem JWST. „Będziemy teraz mogli wykonywać takie obserwacje o wiele łatwiej niż z ziemi, otwierając nowe okno na świat fizyki Wolfa-Rayeta”.
Badania zostały częściowo sfinansowane przez Gates Cambridge Trust.