Результаты, полученные с использованием инфракрасных изображений двойной звездной системы WR140, сделанных за 16 лет, опубликованы в журнале Nature.

В дополнительном исследовании WR140, опубликованном в журнале Nature Astronomy, космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба (JWST) смог заглянуть намного глубже, чтобы сфотографировать не один ускоряющийся пылевой шлейф, а почти 20 из них, вложенных друг в друга, как гигантский набор луковой шелухи.

WR140 состоит из огромной звезды Вольфа-Райе и еще более крупной синей звезды-сверхгиганта, гравитационно связанной по восьмилетней орбите. За этой двойной звездой в созвездии Лебедя в течение двух десятилетий наблюдали с помощью одного из крупнейших в мире оптических телескопов в обсерватории Кека на Гавайях.

WR140 эпизодически выбрасывает шлейфы пыли, простирающиеся в тысячи раз на расстояние от Земли до Солнца. Эти пылевые шлейфы, образующиеся каждые восемь лет, дают астрономам уникальную возможность наблюдать, как звездный свет может влиять на материю.

Известно, что свет переносит импульс, оказывая давление на материю, известное как радиационное давление. Астрономы часто наблюдают результат этого явления в виде материи, движущейся с высокой скоростью по космосу, но поймать этот процесс в действии было трудно. Прямая запись ускорения из-за сил, отличных от гравитации, наблюдается редко, и никогда в звездной среде, подобной этой.

«Трудно увидеть, как звездный свет вызывает ускорение, потому что эта сила ослабевает с расстоянием, и другие силы быстро берут верх», — сказал Инуо Хан из Кембриджского астрономического института, первый автор статьи в журнале Nature . «Чтобы увидеть ускорение на уровне, на котором его можно измерить, материал должен находиться достаточно близко к звезде или источник радиационного давления должен быть очень сильным. WR140 — двойная звезда, чье яростное поле излучения усиливает эти эффекты, помещая в пределах досягаемости наших высокоточных данных».

Все звезды генерируют звездные ветры, но звезды Вольфа-Райе могут быть больше похожи на звездные ураганы. Такие элементы, как углерод на ветру, конденсируются в виде сажи, которая остается достаточно горячей, чтобы ярко светиться в инфракрасном диапазоне. Подобно дыму на ветру, это дает телескопам то, что можно наблюдать.

Команда использовала технологию визуализации, известную как интерферометрия, которая могла действовать как зум-объектив для зеркала 10-метрового телескопа Кека, что позволило исследователям восстановить достаточно четкие изображения WR140 для исследования.

Хан и его команда обнаружили, что пыль не вылетает из звезды вместе с ветром туманным шаром. Вместо этого пыль образуется там, где сталкиваются ветры от двух звезд, на поверхности конусообразного ударного фронта между ними.

Поскольку орбитальная двойная звезда находится в постоянном движении, фронт ударной волны также вращается. Закопченный шлейф закручивается в спираль, точно так же, как капли образуют спираль в садовом разбрызгивателе.

Исследователи обнаружили, что у WR140 есть и другие хитрости в рукаве. Две звезды находятся на не круговых, а на эллиптических орбитах, и образование пыли включается и выключается по мере того, как двойная система приближается и удаляется от точки наибольшего сближения. Смоделировав эти эффекты в трехмерной геометрии пылевого шлейфа, астрономы смогли измерить расположение пылевых элементов в трехмерном пространстве.

«Как часовой механизм, эта звезда выпускает скульптурные кольца дыма каждые восемь лет, со всей этой замечательной физикой, написанной, а затем раздутой на ветру, как баннер для чтения», — сказал соавтор профессор Питер Тутхилл из Сиднейского университета. «Восемь лет спустя, когда бинарная система возвращается на свою орбиту, появляется другая, такая же, как и предыдущая, вытекающая в космос внутри пузыря предыдущей, как набор гигантских матрешек».

Поскольку пыль, производимая этим объектом Вольфа-Райе, настолько предсказуема и распространяется на такие большие расстояния, он предоставил астрономам уникальную лабораторию для исследования зоны ускорения.

«В отсутствие внешних сил каждая пылевая спираль должна расширяться с постоянной скоростью», — сказал Хан, который также является соавтором статьи JWST. «Сначала мы были озадачены, потому что не могли заставить нашу модель соответствовать наблюдениям, пока, наконец, не поняли, что видим что-то новое. Данные не соответствовали, потому что скорость расширения не была постоянной, а скорее ускорялась. Мы впервые засняли это на камеру».

«В каком-то смысле мы всегда знали, что это должно быть причиной оттока, но я никогда не мечтал, что мы сможем увидеть физику в действии таким образом», — сказал Татхилл. «Когда я смотрю на данные сейчас, я вижу, что шлейф WR140 разворачивается, как гигантский парус из пыли. Когда он ловит фотонный ветер, исходящий от звезды, подобно яхте, ловящей порыв ветра, он делает внезапный прыжок вперед».

Теперь, когда JWST работает, исследователи могут узнать гораздо больше о WR140 и подобных системах. «Телескоп Уэбба предлагает новый предел стабильности и чувствительности», — сказал Райан Лау, руководивший исследованием JWST. «Теперь мы сможем проводить подобные наблюдения гораздо проще, чем с земли, открывая новое окно в мир физики Вольфа-Райе».

Исследование частично финансировалось Кембриджским фондом Гейтса.