El telescopio JWST observa el sistema binario WR 140 de tipo Wolf–Rayet

Por Francisco R. Villatoro, el 30 agosto, 2022. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Noticias • Science ✎ 6

Lo fascinante de las espectaculares imágenes del telescopio espacial JWST son las incógnitas que ocultan. Esta imagen de WR 140 muestra un patrón de arcos concéntricos que (hasta donde me consta) aún no tiene explicación. WR 140 es un sistema binario formado por dos estrellas masivas de tipo O, una de ellas en su fase de Wolf–Rayet (WR) rica en carbono (WC7pd) con una masa de 10.31 ± 0.45 M (masas solares) y la otra (O5.5fc) con 29.27 ± 1.14 M⁠; su órbita es muy excéntrica (e = 0.8993 ± 0.0013) con un periodo de (P = 2895.00 ± 0.29 días ≈ 7.94 años). Una estrella entra en la fase WR cuando pierde el hidrógeno de su superficie, mostrando en ella helio, carbono (C/He ≈ 0.24), e incluso oxígeno (O/He ≈ 0.017); de hecho, se ha observado carbono (la línea de emisión 5696-Å C III) en el polvo que rodea WR 140. En el periastro, la colisión entre sus potentes vientos estelares produce ondas de choque que aceleran los electrones a velocidades relativistas, produciendo radiación sincrotrón. Los arcos paralelos que se observan en la imagen, que a partir de la resolución angular del JWST se estima que están separados por unos diez mil millones de kilómetros (como el doble de la distancia entre el Sol y Neptuno), deben ser resultado de estos procesos de interacción entre el polvo y el viento estelar durante el periastro. Sin embargo, el mecanismo exacto todavía es una gran incógnita.

No se ha publicado ningún artículo que analice esta imagen del JWST (aunque hay uno de próxima aparición, ahora mismo embargado). La imagen ha sido procesada y tuiteada por Judy Schmidt @SpaceGeck (hay otras versiones similares procesadas por JWST Photo Bot, Melina Thévenot, Ash Verma, Butte3, FongBoy, etc.). Ángel R. López-Sánchez @El_Lobo_Rayado, experto en estrellas «lobo rayado», comenta en un tuit que nadie había visto algo similar alrededor de una estrella WR. Sin embargo, salvando las distancias, a mí me recuerda a las estructuras que se observan en WR 112, otra binaria de Wolf–Rayet rica en carbono. Su nebulosa circunestelar tiene un alto contenido de polvo (por ello a veces se dice que WR 112 es una «fábrica de polvo», o incluso una «estrella de polvo» o duststar); la interacción de los vientos estelares de las dos estrellas de la binaria dan lugar a arcos paralelos con una estructura asimétrica que recuerda a la nueva imagen de WR 140. Obviamente, WR 112 emite polvo de forma prácticamente continua, produciendo una estructura en espiral, mientras WR 140 parece hacerlo de forma episódica, en cada paso por el periastro; pero las semejanzas me parecen muy sugerentes.

Sobre los parámetros orbitales del sistema binario WR 140 recomiendo Joshua D. Thomas, Noel D. Richardson, …, Uwe Zurmühl, «The orbit and stellar masses of the archetype colliding-wind binary WR 140,» Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 504: 5221-5230 (30 Apr 2021), doi: https://doi.org/10.1093/mnras/stab1181, arXiv:2101.10563 [astro-ph.SR] (26 Jan 2021); sobre la producción de polvo en el periastro, Megan J. Peatt, Noel D. Richardson, «Optical Photometry of WR140 as the Dust Formed During the 2016 Periastron Passage,» Research Notes of the AAS 6: 20 (Jan 2022), doi: https://doi.org/10.3847/2515-5172/ac4af7, arXiv:2201.04670 [astro-ph.SR] (12 Jan 2022); Ryan M. Lau, J. J. Eldridge, …, Peredur M. Williams, «Revisiting the Impact of Dust Production from Carbon-rich Wolf–Rayet Binaries,» The Astrophysical Journal 898: 74 (24 Jul 2020), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab9cb5, arXiv:2006.08695 [astro-ph.SR] (15 Jun 2020); J. W. Eatson, J. M. Pittard, S. Van Loo, «Exploring dust growth in the episodic WCd system WR140,» arXiv:2204.12354 [astro-ph.SR] (26 Apr 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2204.12354.

Más información sobre WR 112 en el artículo de Ryan M. Lau, Matthew J. Hankins, …, Peredur M. Williams, «Resolving Decades of Periodic Spirals from the Wolf–Rayet Dust Factory WR 112,» The Astrophysical Journal 900: 190 (15 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abaab8, arXiv:2008.01093 [astro-ph.SR] (03 Aug 2020). Sobre otras binarias WR similares en Ryan M. Lau, Matthew J. Hankins, …, Peredur M. Williams, «Revealing Efficient Dust Formation at Low Metallicity in Extragalactic Carbon-rich Wolf-Rayet Binaries,» The Astrophysical Journal 909: 113 (10 Mar 2021), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abd8cd, arXiv:2011.09732 [astro-ph.GA] (19 Nov 2020 ).

Fuente: MNRAS 504: 5221-5230 (2021), doi: https://doi.org/10.1093/mnras/stab1181.

La órbita y las masas de las estrellas de WR 140 se han estimado a partir de medidas de la velocidad radial durante el último paso por el periastro en diciembre de 2016 (figuras de la derecha); también se han usado datos históricos de los pasos por el periastro de enero de 2009, 2001 y 1993. En la reconstrucción de la órbita (a la izquierda), la estrella en azul es la WR y la elipse roja corresponde a su compañera de tipo O; los datos son las cruces y las pequeñas elipses indican su incertidumbre.

Fuente: ApJ 923: 191 (2021), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac2430.

La composición del polvo que rodea a la estrella WR se puede determinar a partir de su espectro. Esta figura muestra el resultado obtenido por el Observatorio de Rayos X Chandra, a partir del cual se puede obtener su composición detallada. En la tabla N/N es la composición relativa al Sol (se observa por qué se dice que esta WR es rica en carbono, una WC), además de la composición relativa al helio N (bajo la hipótesis de que no hay nitrógeno, al no haberse detectado) y la fracción X (falta como un 0.04 que corresponde al hidrógeno).

Fuente: ApJ 898: 74 (2020), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab9cb5.

Hasta ahora las imágenes en el infrarrojo de WR 140 solo mostraban un par de arcos parciales (nada que ver con con la imagen de JWST donde se observan más de diez arcos); en esta figura, a la derecha, se muestra la observación con el Telescopio Keck I. En la parte izquierda y central se muestra un modelo para el polvo alrededor de WR 140 basado en dos componentes (dos arcos). La interacción entre las estrellas de la binaria WC7+O5, sobre todo en su periastro, produce una eyección en forma de espiral que explicaría las dos componentes observadas. Sin embargo, la imagen de JWST (te recomiendo volver a ojearla) parece sugerir que la estructura de los arcos no es de la de una elipse, sino de una especie de supercircunferencia (recuerda que una circunferencia de radio r en el plano está dada por x2 + y2 = r2, pues bien, una supercircunferencia está dada por xp + yp = r2, con p > 2, que para p = ∞ sería un cuadrado, es decir, una supercunferencia es una «circunferencia cuadrada»).

Fuente: arXiv:2204.12354 [astro-ph.SR] (2022), https://doi.org/10.48550/arXiv.2204.12354.
Se han realizado simulaciones de la generación episódica de polvo durante el periastro de WR 140. Esta figura muestra una simulación de la producción de polvo y su interacción con el viento estelar justo antes (izquierda), durante (centro) y justo después (derecha) del periastro. Solo se ha simulado una sección de la órbita de WR 140, pero comparando con trabajos previos se estima que durante el periastro se expulsa polvo a un ritmo de 7.68 × 10−8 M/año, cuando en el resto de la órbita la producción media es de 8.11 × 10−10 M/año (es decir, durante el periastro se produce cien veces más polvo que en el resto de la órbita).

Fuente: ApJ 900: 190 (2020), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abaab8.

WR 112 es muy similar a WR 140, pues también es una binaria WR con una WC8 (WR rica en carbono) de unas 18 M, y una compañera OB de unas 30 M, aunque su periodo orbital es bastante mayor (~20 años en lugar de ~8 años). Las imágenes de WR 112 obtenidas por Subaru/COMICS en 2019 muestran una estructura en forma de herradura con entre dos y tres capas; a mí me recuerdan bastante a la de WR 140 (aunque gracias a JWST muestra diez «herraduras»). En esta figura se muestra un modelo basado en una espiral (izquierda) para explicar las observaciones (derecha) de WR 112. La proyección del movimiento en espiral en el plano de la imagen da lugar a una estructura de capas concéntricas que parecen supercunferencias.

Los parámetros que caracterizan el polvo de WR 112 determinados a partir del ajuste del modelo a las observaciones (mostrados en esta tabla) son diferentes de los de WR 140. Sin embargo, me parece sugerente la conclusión del modelo: estamos viendo la espiral tridimensional de WR 112 de forma lateral, por ello no parece una espiral, sino un conjunto de arcos concéntricos. Mi intuición me dice que lo mismo podría estar ocurriendo con WR 140, por ello no se aprecia la forma espiral en los arcos parciales concéntricos de la imagen que nos ofrece JWST.

Obviamente, esta pieza es solo un aperitivo de la que escribiré cuando se publique el artículo sobre el análisis de la imagen de JWST de WR 140 (muchos de cuyos autores son los mismos que los del artículo sobre WR 112). Las imágenes de JWST son fascinantes, tanto por su belleza intrínseca, como por lo apasionante de la ciencia que nos ofrecen.



6 Comentarios

  1. Ya habia confundido esta estrella con WR104, aquella que hace unos años se especulaba «escupiria» un jet de rayos gamma hacia la tierra y que algunos relacionaban (la erupcion de rayos gamma) con una extincion masiva hace 400 millones de años.

  2. Caray, «vaya foto» es poco, no sabía que el Webb tenía esta resolución o al menos con objetos de esta escala. Por favor, dadle a Ángel un par de litros de café para que esté despierto para el próximo Coffee Break.

    1. La belleza de la realidad supera a la ficción. A mí la imagen me recuerda a una emisión pulsante, como si al aproximarse ambas estrellas se acumulara polvo en la estrella WR y lo expulsara en un proceso relativamente violento.

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