日本国家天文台 由双子座北、双子座南、凯克、超大型望远镜(VLT)和斯巴鲁望远镜在2001-2019年间拍摄的WR 112的7幅中红外(~10微米)图像序列
每幅图像上白线的长度大约相当于6800个天文单位
信用:刘等
通过包括斯巴鲁望远镜在内的世界上最大的天文台近二十年的中红外成像，一组天文学家能够捕捉到从巨大且进化的双星系统沃尔夫-拉耶(WR) 112中新形成的尘埃流的螺旋运动
从宇宙早期的历史来看，大质量的双星系统以及超新星爆炸被认为是宇宙中尘埃的来源，但是尘埃产生的过程和喷出的尘埃数量仍然是悬而未决的问题
WR 112是一个双星系统，由一颗处于恒星演化晚期失去大量质量的大质量恒星和另一颗处于主序列的大质量恒星组成
尘埃预计会在来自这两颗恒星的恒星风碰撞的区域形成
这项研究揭示了从系统中流出的灰尘的运动，并确定WR 112是一个高效的灰尘工厂，每年产生整个地球的灰尘
尘埃的形成，通常见于质量类似太阳的冷恒星的温和流出，在大质量恒星及其猛烈的风周围的极端环境中有些不寻常
然而，当双星中两颗大质量恒星的疾风相互作用时，有趣的事情就会发生
合著者安东尼·莫法特(蒙特利尔大学)说:“当两种风碰撞时，所有的地狱都会爆发，包括大量的震惊气体X射线的释放，但也(乍一看令人惊讶)在其中一颗恒星演化为氦燃烧的双星中产生了大量的碳基气溶胶尘埃粒子，这在它们的风中产生了40%的碳。”
这个尘埃的形成过程正是WR 112中正在发生的
(注1) 这种二元尘埃形成现象已经在其他系统中被揭示，如WR 104，由合著者彼得·图特希尔(悉尼大学)提出
特别是WR 104，揭示了一条优雅的尘埃轨迹，类似于追踪中央双星系统轨道运动的“风车”
物理学
悉尼大学
电子显示器(electronic display unit)ˌ教育机构域名(education)ˌ实验发展处(Experimental Development Unit)
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gif) 然而，WR 112周围的尘埃星云远比简单的风车状图案复杂
几十年的多波长观测对WR 112的尘埃外流和轨道运动给出了相互矛盾的解释
在WR 112上经历了近20年的不确定性之后，2019年10月斯巴鲁望远镜上COMICS仪器拍摄的图像为这个难题提供了最终的——也是意想不到的——答案
WR 112周围螺旋尘埃星云的动画模型(左)和实际的相应观测结果(右)
模型动画上的φ符号表示中心双星的轨道相位，其中φ = 0位于其20年轨道的起点，φ = 1位于其轨道的终点
动画在真实观察中显示的每个阶段暂停
信用:刘等
“我们在2017年发表了一项关于WR 112的研究，表明尘埃星云根本没有移动，所以我认为我们在COMICS的观察将证实这一点，”主要作者刘威煌(ISAS/JAXA)解释道
“令我惊讶的是，COMCIS的照片显示，自2016年我们拍摄VLT的最后一张照片以来，布满灰尘的外壳肯定已经移动了
它让我非常困惑，以至于在观察之后我无法入睡——我不停地翻阅图像，直到它最终在我的脑海中注册，螺旋看起来像是在向我们翻滚
" 刘与悉尼大学的研究人员合作，其中包括
彼得·图特希尔和大学生韩沂诺是建模和解释来自像WR 112这样的双星系统的尘埃螺旋运动的专家
“我与彼得和伊诺分享了WR 112的照片，他们制作了一个令人惊叹的初步模型，证实了尘封的螺旋流正沿着我们的视线向我们的方向旋转，”刘说
上面的动画显示了研究小组创建的WR 112模型与实际中红外观测值之间的比较
模型图像的外观与WR 112的真实图像非常一致
这些模型和一系列成像观测揭示了这个尘埃“边缘”螺旋的旋转周期(以及中央双星系统的轨道周期)是20年
通过修改WR 112的照片，研究小组能够推断出这个双星系统正在形成多少尘埃
“螺旋是重复的模式，所以既然我们知道形成一个完整的尘埃螺旋圈需要多长时间(大约20年)，我们实际上可以追踪螺旋中心的双星产生的尘埃的年龄，”刘说
他指出“在螺旋的中心有新形成的尘埃，而我们看到的四个螺旋转弯处的尘埃已经有80年的历史了
因此，我们基本上可以沿着我们观察到的尘埃螺旋流追溯整个人类的一生
因此，我实际上可以在图像上精确定位我出生时形成的尘埃(现在，它在第一个和第二个螺旋圈之间的某个地方)
" 令他们惊讶的是，研究小组发现WR 112是一个高效率的尘埃工厂，每年以3×10-6太阳质量的速度输出尘埃，相当于每年产生整个地球的尘埃质量
鉴于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，最有效的尘埃产生者往往具有比WR 104更短的轨道周期，后者的周期为220天，不到一年
因此，WR 112号展示了能够有效形成尘埃的WR双星系统的多样性，并强调了它们作为尘埃重要来源的潜在作用，不仅存在于我们的银河系，也存在于我们的星系之外
这个动画展示了视角对尘埃螺旋外观的影响
首先，“迎面”模型显示了尘埃螺旋的一整圈，就好像它在天空的平面上旋转一样
然后，螺旋旋转到观察到的倾角(I)和旋转角度(ω)，在此继续进行另一个完整的旋转
请注意，3D螺旋本身的几何形状是完全相同的，但只是视角改变了它的外观
信用:刘等
最后，这些结果证明了在即将到来的东京阿塔卡马天文台上用最小二乘仪器进行多历元中红外成像的发现潜力
这项研究的中红外结果特别利用了世界上最大的天文台，并为未来十年30米级望远镜和即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜的天文发现奠定了基础
(注1)沃尔夫-拉叶星(WR)是进化而来的质量非常大的恒星，它们已经失去了富含氢的外壳
这些物体的表面富含重元素，如内部氦燃烧过程产生的碳
这导致来自WR恒星的喷出物包括高比例的碳和其他重元素，与通常演化出的恒星喷出的富氢物质形成对比，形成大量的尘埃
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