Avec près de deux décennies d'imagerie dans l'infrarouge moyen (IR) des plus grands observatoires du monde, y compris le télescope Subaru, une équipe d'astronomes a pu capturer le mouvement en spirale de la poussière nouvellement formée provenant du système stellaire binaire massif et évolué Wolf-Rayet (WR) 112. Systèmes stellaires binaires massifs, ainsi que des explosions de supernova, sont considérés comme des sources de poussières dans l'Univers depuis ses débuts, mais le processus de production de poussière et la quantité de poussière éjectée restent des questions ouvertes. WR 112 est un système binaire composé d'une étoile massive au stade très avancé de l'évolution stellaire perdant une grande quantité de masse et d'une autre étoile massive au niveau de la séquence principale. De la poussière devrait se former dans la région où les vents stellaires de ces deux étoiles entrent en collision. L'étude révèle le mouvement de l'écoulement poussiéreux du système et identifie WR 112 comme une usine de poussière très efficace qui produit une masse terrestre entière de poussière chaque année.

Formation de poussière, qui est typiquement vu dans les sorties douces des étoiles froides avec une masse semblable au Soleil, est quelque peu inhabituel dans l'environnement extrême autour des étoiles massives et de leurs vents violents. Cependant, des choses intéressantes se produisent lorsque les vents rapides de deux étoiles massives dans un binaire interagissent.

"Quand les deux vents se heurtent, tous l'enfer se déchaîne, y compris la libération de rayons X de gaz de choc copieux, mais aussi la création (à première vue surprenante) de grandes quantités de particules de poussière d'aérosol à base de carbone dans les binaires dans lesquels l'une des étoiles a évolué vers la combustion de He, qui produit 40% C dans leurs vents, " dit le co-auteur Anthony Moffat (Université de Montréal). Ce processus de formation de poussière est exactement ce qui se passe dans WR 112. (Note 1)

Ce phénomène binaire de formation de poussière a été mis en évidence dans d'autres systèmes comme le WR 104 par le co-auteur Peter Tuthill (Université de Sydney). WR 104, en particulier, révèle une élégante traînée de poussière ressemblant à un « moulinet » qui trace le mouvement orbital du système stellaire binaire central (voir www.physics.usyd.edu.au/~gekko … inwheel/movie_11.gif)

Cependant, la nébuleuse poussiéreuse autour de WR 112 est bien plus complexe qu'un simple motif de moulinet. Des décennies d'observations multi-longueurs d'onde ont présenté des interprétations contradictoires de l'écoulement poussiéreux et du mouvement orbital de WR 112. Après près de 20 ans d'incertitude sur WR 112, les images de l'instrument COMICS sur le télescope Subaru prises en octobre 2019 ont fourni la pièce finale - et inattendue - du puzzle.

"Nous avons publié une étude en 2017 sur WR 112 qui suggérait que la nébuleuse poussiéreuse ne bougeait pas du tout, donc j'ai pensé que notre observation COMICS le confirmerait, " a expliqué l'auteur principal Ryan Lau (ISAS/JAXA). " À ma grande surprise, l'image COMCIS a révélé que la coque poussiéreuse avait définitivement bougé depuis la dernière image que nous avons prise avec le VLT en 2016. Cela m'a tellement troublé que je n'ai pas pu dormir après la course d'observation. ma tête que la spirale avait l'air de dégringoler vers nous."

Lau a collaboré avec des chercheurs de l'Université de Sydney, notamment le professeur Peter Tuthill et le premier cycle Yinuo Han, qui sont des experts dans la modélisation et l'interprétation du mouvement des spirales poussiéreuses de systèmes binaires comme WR 112. "J'ai partagé les images de WR 112 avec Peter et Yinuo, et ils ont pu produire un modèle préliminaire étonnant qui a confirmé que le flux en spirale poussiéreux tourne dans notre direction le long de notre ligne de mire, " dit Lau.

L'animation ci-dessus montre une comparaison entre les modèles de WR 112 créés par l'équipe de recherche ainsi que les observations réelles dans le milieu de l'IR. L'aspect des images modèles montre une concordance remarquable avec les images réelles de WR 112. Les modèles et la série d'observations d'imagerie ont révélé que la période de rotation de cette spirale poussiéreuse « edge-on » (et la période orbitale du système binaire central ) est de 20 ans.

Avec l'image révisée du WR 112, l'équipe de recherche a pu déduire la quantité de poussière que ce système binaire forme. "Les spirales sont des motifs répétitifs, donc puisque nous comprenons combien de temps il faut pour former un tour complet en spirale poussiéreux (~20 ans), on peut en fait retracer l'âge de la poussière produite par les étoiles binaires au centre de la spirale, " dit Lau. Il souligne qu'" il y a de la poussière fraîchement formée au cœur très central de la spirale, tandis que la poussière que nous voyons à quatre tours en spirale a environ 80 ans. Par conséquent, nous pouvons essentiellement retracer toute une vie humaine le long du flux en spirale poussiéreux révélé dans nos observations. J'ai donc pu repérer sur les images la poussière qui s'est formée à ma naissance (en ce moment, c'est quelque part entre les premier et deuxième tours en spirale)."

A leur grande surprise, l'équipe a découvert que WR 112 est une usine de poussière très efficace qui produit de la poussière à un taux de 3x10 ^-6 masse solaire par an, ce qui équivaut à produire une masse terrestre entière de poussière chaque année. C'était inhabituel étant donné la période orbitale de 20 ans de WR 112 - les producteurs de poussière les plus efficaces dans ce type de système d'étoiles binaires WR ont tendance à avoir des périodes orbitales plus courtes de moins d'un an comme WR 104 avec sa période de 220 jours. WR 112 démontre donc la diversité des systèmes binaires WR capables de former efficacement de la poussière et met en évidence leur rôle potentiel en tant que sources importantes de poussière non seulement dans notre Galaxie mais dans des galaxies au-delà de la nôtre.

Dernièrement, ces résultats démontrent le potentiel de découverte de l'imagerie IR moyen multi-époques avec l'instrument MIMIZUKU sur le prochain Observatoire Atacama de Tokyo (TAO). Les résultats mi-IR de cette étude utilisent notamment les plus grands observatoires du monde et préparent le terrain pour la prochaine décennie de découvertes astronomiques avec des télescopes de classe 30 m et le prochain télescope spatial James Webb.

(Note 1) Les étoiles Wolf-Rayet (WR) sont des étoiles évoluées très massives qui ont déjà perdu leur enveloppe riche en hydrogène. La surface de ces objets est riche en éléments lourds comme le carbone produit par le processus de combustion interne de l'hélium. Cela se traduit par les éjectas des étoiles WR comprenant des fractions élevées de carbone et d'autres éléments lourds, contrairement à la matière riche en hydrogène éjectée par les étoiles évoluées habituelles, formant une grande quantité de poussière.