进化的双星系统Wolf-Rayet 112：从大型恒星锻炉中解开螺旋状的灰烬余烬

Gemini North，Gemini South，Keck，甚大望远镜（VLT）和斯巴鲁望远镜在2001年至2019年之间拍摄的WR 112的7个中红外（〜10微米）图像序列。每个图像上白线的长度对应于大约6800个天文单位。

利用包括斯巴鲁望远镜在内的全球最大天文台近二十年的中红外（IR）成像，一组天文学家能够捕获来自巨大且不断发展的双星系统Wolf-雷耶（WR）112。从宇宙的早期历史来看，大规模的双星系统以及超新星爆炸被认为是尘埃的来源，但是尘埃的产生过程和喷出的尘埃数量仍然是一个悬而未决的问题。WR 112是一个双星系统，由恒星演化后期的一颗大质量恒星组成，它损失了大量质量，而主序中又有另一颗大质量恒星。预计在这两颗恒星的恒星风碰撞的区域会形成粉尘。这项研究揭示了系统中粉尘流出的运动，并确定WR 112是一个高效的粉尘工厂，该工厂每年产生整个地球的粉尘。

第一作者刘恩（Ryan Lau）介绍了研究结果的重点。(

尘埃的形成通常出现在像太阳一样质量的冷恒星的缓缓流出中，在大质量恒星及其猛烈风周围的极端环境中有些不同寻常。但是，当两个大质量恒星的快速风以双星相互作用时，会发生有趣的事情。

“当两个风碰撞时，所有的地狱都将破裂，包括释放大量的冲击气体X射线，而且（乍一看令人惊讶）在那些二进制文件中创建了大量的碳基气溶胶尘粒。蒙特利尔大学的安东尼·莫法特（Anthony Moffat）说。灰尘的形成过程正是WR 112中发生的过程。[1]

共同作者Peter Tuthill（悉尼大学）已在其他系统（例如WR 104）中揭示了这种二元粉尘形成现象。特别是WR 104，它散发着优雅的尘埃痕迹，类似于“风车”，它追踪了中央双星系统的轨道运动。

但是，WR 112周围的尘埃状星云比简单的风车模式复杂得多。数十年来的多波长观测对WR 112的尘埃流出和轨道运动提出了相互矛盾的解释。在WR 112进行了将近20年的不确定性之后，斯巴鲁望远镜于2019年10月拍摄的来自COMICS仪器的图像为难题提供了最终的，也是出乎意料的部分。

主要作者Ryan Lau（ISAS / JAXA）解释说：“我们于2017年在WR 112上发表了一项研究，表明尘埃状星云根本没有移动，所以我认为我们的COMICS观测结果可以证实这一点。”“令我惊讶的是，COMCIS的图像显示，自从我们在2016年使用VLT拍摄最后一张图像以来，尘土飞扬的外壳肯定已经移动了。它使我非常困惑，以至于观察奔跑后我无法入睡-我一直翻阅这些图像，直到它终于在我的头上记录下来，螺旋形看起来像是在向我们翻滚。”

Lau与悉尼大学的研究人员合作，包括Peter Tuthill教授和本科的Yiuo Han，他们是建模和解释WR 112等二元系统中尘埃螺旋运动的专家。Lau说：“我与Peter和Yiuo共享了WR 112的图像，他们能够生成一个令人惊叹的初步模型，证实了尘土飞扬的螺旋流正在沿着我们的视线朝着我们的方向旋转。”

动画1：WR 112周围的螺旋尘埃星云的动画模型（左）和相应的实际观测值（右）。模φ型动画上的符号表示中央双星的轨道相位φ，其中= 0是其20年轨道的开φ始，而= 1是其轨道的结束。动画会在实际观察中显示的每个阶段暂停。(

上面的动画显示了研究团队在实际中红外观测结果旁边创建的WR 112模型之间的比较。模型图像的外观与WR 112的真实图像有着显着的一致性。这些模型和一系列成像观测结果表明，该尘土飞扬的“边沿式”螺旋的旋转周期（以及中央双星系统的轨道周期）为20年。

下面的p和动画演示了“正面”外观与“边缘”外观之间的巨大差异，这与我们WR 112的视角有关。

图2：从面对面的视角（左）和观察到的视角（右）对WR 112星云进行建模。虚线示出了中心双星轨道的运动，其中中心双星的分离和每颗恒星的大小未按比例显示。每个面板都有自己的伴随动画，以两个角度显示螺旋线的旋转。

动画2a。

动画2b。

下面的动画有助于可视化WR 112从正面到观察到的视角的过渡。

动画3：该动画显示了视角对尘土飞扬的螺旋形外观的影响。首先，“面对”模型显示了尘埃螺旋在天空中旋转一整圈。然后，将螺旋线旋转到观察到的倾斜度（i）和旋转角Ω度（），然后再旋转一整圈。请注意，3D螺旋线本身的几何形状完全相同，但是只有视角会改变其外观。

借助WR 112的修改后的图片，研究团队能够推断出该二元系统正在形成多少灰尘。“螺旋是重复的模式，因此，由于我们了解形成一个完整的尘土飞扬的螺旋转弯需要花费多少时间（约20年），因此我们实际上可以追踪到螺旋中心的双星产生的尘埃的年龄，”他说。刘他指出，“在螺旋线的中心处有刚形成的尘埃，而我们看到的4个螺旋线转掉的尘埃大约有80年的历史了。因此，我们基本上可以沿着观察到的尘土飞扬的螺旋流追踪整个人类的生命。这样一来，我就可以精确地确定图像在我出生时形成的尘埃（现在，它位于第一和第二螺旋圈之间的某个位置）。”

令他们惊讶的是，研究小组发现WR 112是一家高效的除尘工厂，每年输出的×灰尘量为310-6太阳质量，这相当于每年产生整个地球灰尘量。考虑到WR 112的20年轨道周期，这是不寻常的-在这种类型的WR双星系统中，最高效的粉尘产生器往往比WR 104的220天周期具有短于一年的较短轨道周期。因此，WR 112展示了能够有效形成尘埃的WR二元系统的持久性，并强调了它们作为重要尘埃来源的潜在作用，不仅在我们的银河系中，而且还超越了我们自己的星系。

最后，这些结果证明了用MIMIZUKU仪器在即将到来的东京阿塔卡马天文台（TAO）上发现多时期中红外成像的潜力。这项研究的中红外结果尤其利用了世界上最大的天文台，并通过30 m级望远镜和即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜为未来十年的天文发现奠定了基础。

这些研究结果发表在Ryan M. Lau等人的文章中。2020年9月15日，《天体物理学杂志》上的“从Wolf-Rayet尘埃工厂WR 112处解决数十年的周期性螺旋”。

笔记

[1] Wolf-Rayet（WR）恒星是非常巨大的恒星，已经失去了富氢包层。这些物体的表面富含重元素，例如内部氦气燃烧过程产生的碳。与普通的恒星排出的富含氢的物质形成大量粉尘相反，这导致了WR恒星的喷射，其中包括高含量的碳和其他重元素。