In juli krabden zelfs astronomen zich achter het hoofd bij een raadselachtig nieuw beeld van een ver verwijderd extreem sterrenstelsel omringd door surrealistische concentrische geometrische ringen. De foto, die eruitziet als een soort 'kosmische duimafdruk', is afkomstig van de James Webb Space Telescope, NASA's nieuwste vlaggenschipobservatorium.
Het internet fleurde meteen op van theorieën en speculaties. Sommigen aan de rand van het wild beweerden het zelfs als bewijs voor "buitenaardse megastructuren" van onbekende oorsprong.
Gelukkig had ons team aan de Universiteit van Sydney deze ster, bekend als WR140, al meer dan 20 jaar bestudeerd, dus we waren in de beste positie om natuurkunde te gebruiken om te interpreteren wat we zagen.
ons model, gepubliceerd NATUUR, verklaart het vreemde proces waarmee de ster het oogverblindende patroon van ringen produceert dat te zien is in de Webb-afbeelding (nu zelf gepubliceerd Natuurastronomie).
De geheimen van WR140
WR140 is wat men een Wolf-Rayet-ster. Dit zijn enkele van de meest extreme sterren die we kennen. In een zeldzame maar mooie weergave kunnen ze soms een stofpluim de ruimte in stoten die honderden keren zo groot is als ons hele zonnestelsel.
Het stralingsveld rond Wolf-Rayets is zo intens dat stof en wind met duizenden kilometers per seconde naar buiten worden geveegd, of ongeveer 1 procent van de lichtsnelheid. Terwijl alle sterren stellaire winden hebben, drijven deze overpresteerders iets meer als een stellaire orkaan.
Van cruciaal belang is dat deze wind elementen bevat zoals koolstof die naar buiten stromen om stof te vormen.
WR140 is een van de weinige stoffige Wolf-Rayet-sterren in een dubbelstersysteem. Het bevindt zich in een baan met een andere ster, die zelf een enorme blauwe superreus is met een eigen woeste wind.
Er zijn slechts een handvol systemen zoals WR140 bekend in ons hele melkwegstelsel, maar deze selecte groep levert het meest onverwachte en mooiste geschenk aan astronomen. Stof stroomt niet zomaar uit de ster om een wazige bal te vormen, zoals te verwachten is; in plaats daarvan vormt het zich alleen in een kegelvormig gebied waar de winden van de twee sterren botsen.
Omdat de dubbelster in een constante baanbeweging is, moet dit schokfront ook roteren. De roetpluim wordt dan natuurlijk in een spiraal gewikkeld, op dezelfde manier als de straal van een roterende tuinsproeier.
De WR140 heeft echter nog een paar trucs in petto en brengt meer rijke complexiteit in zijn opzichtige weergave. De twee sterren bevinden zich niet in cirkelvormige maar in elliptische banen, en bovendien gaat de stofproductie af en toe aan en uit wanneer de dubbelster het punt van dichtste nadering nadert en verlaat.
[Ingesloten inhoud]
Een bijna perfect model
Door al deze effecten te modelleren in de driedimensionale geometrie van de stofpluim, volgde ons team de locatie van stofkenmerken in de driedimensionale ruimte.
Door afbeeldingen van de uitdijende stroom, genomen op het Keck Observatorium in Hawaï, een van 's werelds grootste optische telescopen, zorgvuldig te labelen, ontdekten we dat ons model van de uitdijende stroom bijna perfect bij de gegevens paste.
Behalve één minpuntje. Dicht bij de ster, het stof was niet waar het hoort te zijn. Het achtervolgen van dat kleine buitenbeentje leidde ons naar een fenomeen dat nog nooit eerder op camera was vastgelegd.
De kracht van licht
We weten dat licht momentum draagt, wat betekent dat het een duw kan uitoefenen op materie die bekend staat als stralingsdruk. Het resultaat van dit fenomeen, in de vorm van materie die met hoge snelheid rond de kosmos zweeft, is overal duidelijk.
Maar het is een opmerkelijk moeilijk proces geweest om op heterdaad te betrappen. De kracht neemt snel af met de afstand, dus om te zien dat materiaal wordt versneld, moet je de beweging van materie in een sterk stralingsveld zeer nauwkeurig volgen.
Deze versnelling bleek het enige ontbrekende element te zijn in de modellen voor de WR140. Onze data pasten niet omdat de uitzettingssnelheid niet constant was: het stof kreeg een boost door stralingsdruk.
Dat voor de eerste keer op camera vastleggen was iets nieuws. In elke baan is het alsof de ster een gigantisch zeil van stof ontvouwt. Wanneer het de intense straling van de ster opvangt, zoals een jacht dat een windvlaag opvangt, maakt het stoffige zeil een plotselinge sprong voorwaarts.
Rookringen in de ruimte
Het uiteindelijke resultaat van al deze fysica is adembenemend mooi. Als een speelgoeduurwerk blaast de WR140 nauwkeurig gevormde rookringen met elke achtjarige baan.
Elke ring is gegraveerd met al deze prachtige fysica, geschreven in de details van zijn vorm. Het enige wat we hoeven te doen is wachten, en de uitdijende wind blaast de stofomhulling op als een ballon totdat deze groot genoeg is voor onze telescopen om er beelden van te maken.
Dan, acht jaar later, keert het binaire getal terug in zijn baan en een andere schil lijkt identiek aan de vorige en groeit in de bel van zijn voorganger. Schelpen blijven zich ophopen als een spookachtige reeks gigantische nestpoppen.
De werkelijke mate waarin we de juiste geometrie hadden gevonden om dit intrigerende sterrenstelsel te verklaren, werd ons echter pas duidelijk toen de nieuwe Webb-afbeelding in juni arriveerde.
Hier waren niet een of twee, maar meer dan 17 prachtig gebeeldhouwde schelpen, elk een bijna exacte replica genesteld in de vorige. Dat betekent dat de oudste, buitenste schil die zichtbaar is in de Webb-afbeelding ongeveer 150 jaar vóór de nieuwste schil moet zijn gelanceerd, die nog in de kinderschoenen staat en steeds sneller wegtrekt van het lichtgevende paar sterren dat de fysica in het hart van het systeem aandrijft.
Met hun spectaculaire pluimen en wild vuurwerk hebben de Wolf-Rayets een van de meest intrigerende en ingewikkeld gevormde beelden opgeleverd die door de nieuwe Webb-telescoop zijn vrijgegeven.
Dit was een van de eerste foto's gemaakt door Webb. Astronomen zitten allemaal op het puntje van onze stoel, wachtend op wat voor nieuwe wonderen dit observatorium naar ons zal stralen.
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
Krediet van het beeld: NASA, ESA, CSA, STScI, NASA-JPL, Caltech
