I juli fick en förbryllande ny bild av ett avlägset extremt stjärnsystem omgivet av surrealistiska koncentriska geometriska ringar till och med astronomer att klia sig i huvudet. Bilden, som ser ut som ett slags "kosmiskt tumavtryck", kom från James Webb Space Telescope, NASA:s senaste flaggskeppsobservatorium.
Internet lyste genast upp av teorier och spekulationer. Vissa i den vilda utkanten hävdade till och med att det var bevis för "främmande megastrukturer" av okänt ursprung.
Lyckligtvis hade vårt team vid University of Sydney redan studerat just denna stjärna, känd som WR140, i mer än 20 år – så vi var i en utmärkt position för att använda fysiken för att tolka det vi såg.
Vår modell, som publicerades i Natur, förklarar den märkliga processen genom vilken stjärnan producerar det bländande mönstret av ringar som syns i Webb-bilden (själv nu som publicerades i Natur Astronomi).
Hemligheterna med WR140
WR140 är vad som kallas en Wolf-Rayet stjärna. Dessa är bland de mest extrema stjärnor som är kända. I en sällsynt men vacker skärm kan de ibland avge en plym av damm i rymden som sträcker sig hundratals gånger så stor som hela vårt solsystem.
Strålningsfältet runt Wolf-Rayets är så intensivt att damm och vind svepas utåt med tusentals kilometer per sekund, eller ungefär 1 procent av ljusets hastighet. Medan alla stjärnor har stjärnvindar, driver dessa överpresterande något mer som en stjärnorkan.
Kritiskt sett innehåller denna vind element som kol som strömmar ut för att bilda damm.
WR140 är en av få dammiga Wolf-Rayet-stjärnor som finns i ett binärt system. Den är i omloppsbana med en annan stjärna, som i sig är en massiv blå superjätte med en egen våldsam vind.
Endast en handfull system som WR140 är kända i hela vår galax, men dessa utvalda få levererar den mest oväntade och vackraste gåvan till astronomer. Damm strömmar inte bara ut från stjärnan för att bilda en dimmig boll som man kan förvänta sig; istället bildas den bara i ett konformat område där vindarna från de två stjärnorna kolliderar.
Eftersom binärstjärnan är i konstant omloppsrörelse måste även denna stötfront rotera. Den sotiga plymen lindas sedan naturligt in i en spiral, på samma sätt som strålen från en roterande trädgårdssprinkler.
WR140 har dock några fler tricks i ärmen och lägger mer rik komplexitet i sin pråliga display. De två stjärnorna befinner sig inte i cirkulära utan elliptiska banor, och dessutom slås dammproduktionen på och av episodiskt när binären närmar sig och avviker från punkten för den närmaste inflygningen.
[Inbäddat innehåll]
En nästan perfekt modell
Genom att modellera alla dessa effekter till dammplymens tredimensionella geometri, spårade vårt team platsen för dammfunktioner i det tredimensionella rummet.
Genom att noggrant tagga bilder av det expanderande flödet tagna vid Keck-observatoriet på Hawaii, ett av världens största optiska teleskop, fann vi att vår modell av det expanderande flödet passade data nästan perfekt.
Förutom en niggel. Nära precis nära stjärnan var dammet inte där det skulle vara. Att jaga den där mindre missanpassningen ledde oss till ett fenomen som aldrig tidigare fångats på kamera.
Ljusets kraft
Vi vet att ljus bär fart, vilket betyder att det kan utöva en push på materia som kallas strålningstryck. Resultatet av detta fenomen, i form av materia som flyter i hög hastighet runt kosmos, är uppenbart överallt.
Men det har varit en anmärkningsvärt svår process att fånga på bar gärning. Kraften bleknar snabbt med avståndet, så för att se material som accelereras måste du mycket noggrant spåra materiens rörelse i ett starkt strålningsfält.
Denna acceleration visade sig vara det enda som saknades i modellerna för WR140. Våra data passade inte eftersom expansionshastigheten inte var konstant: dammet fick en ökning av strålningstrycket.
Att fånga det för första gången på kameran var något nytt. I varje omloppsbana är det som om stjärnan vecklar ut ett gigantiskt segel av damm. När den fångar den intensiva strålningen som strömmar från stjärnan, som en yacht som fångar en vindby, gör det dammiga seglet ett plötsligt språng framåt.
Rökringar i rymden
Det slutliga resultatet av all denna fysik är fascinerande vacker. Som en urleksak puffar WR140 ut exakt skulpterade rökringar var åttonde år.
Varje ring är graverad med all denna underbara fysik skriven i detalj i dess form. Allt vi behöver göra är att vänta, och den expanderande vinden blåser upp dammskalet som en ballong tills det är tillräckligt stort för att våra teleskop ska kunna avbilda det.
Sedan, åtta år senare, återvänder binären i sin omloppsbana och ett annat skal verkar identiskt med det tidigare, växande inuti bubblan från sin föregångare. Snäckor fortsätter att samlas som en spöklik uppsättning gigantiska häckande dockor.
Men i vilken utsträckning vi hade träffat rätt geometri för att förklara detta spännande stjärnsystem kom inte hem till oss förrän den nya Webb-bilden kom i juni.
Här fanns inte ett eller två, utan mer än 17 utsökt skulpterade skal, var och en en nästan exakt kopia inkapslad i den som föregick den. Det betyder att det äldsta, yttersta skalet som är synligt i Webb-bilden måste ha lanserats cirka 150 år före det nyaste skalet, som fortfarande är i sin linda och accelererar bort från det lysande paret stjärnor som driver fysiken i systemets hjärta.
Med sina spektakulära plymer och vilda fyrverkerier har Wolf-Rayets levererat en av de mest spännande och intrikat mönstrade bilderna som har släppts av det nya Webb-teleskopet.
Detta var en av de första bilderna som Webb tog. Astronomer är alla på kanten av våra platser och väntar på vilka nya underverk detta observatorium kommer att stråla ner till oss.
Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.
Image Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, NASA-JPL, Caltech
