Webb beobachtet, wie sich kohlenstoffreiche Staubhüllen in einem Sternsystem bilden und ausdehnen

Originalveröffentlichung am 13.01.225 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Das Teleskop zeigt, daß die Winde von zwei massereichen Sternen kohlenstoffreichen Staub produzieren, der möglicherweise neue Sterne und Planeten „sät“

Wie werden Elemente wie Kohlenstoff erzeugt und im Weltraum verteilt? Astronomen haben mit dem James-Webb-Weltraumteleskop zwei Sterne identifiziert, die für die Erzeugung von kohlenstoffreichem Staub in unserer eigenen Galaxis in nur 5.000 Lichtjahren Entfernung verantwortlich sind. Wenn die massereichen Sterne in Wolf-Rayet 140 auf ihren langgestreckten Umlaufbahnen aneinander vorbeiziehen, stoßen ihre Winde zusammen und erzeugen kohlenstoffreichen Staub. Für einige Monate alle acht Jahre bilden die Sterne eine neue Hülle aus Staub, die sich nach außen ausdehnt – und eines Tages Teil von Sternen werden könnte, die sich anderswo in unserer Milchstraße bilden.

Webb’s Beobachtungen im mittleren Infrarot zeigen 17 unregelmäßige Hüllen um diese Sterne – aber viele weitere könnten sich aufgelöst haben und Tausende weitere werden entstehen. Diese Erkenntnisse bieten eindeutige Hinweise auf die Anfänge des Kohlenstoffs, die der astronomischen Gemeinschaft helfen können, herauszufinden, wie sich Elemente zu neuen Sternen und Planeten entwickeln.

Astronomen versuchen seit langem herauszufinden, wie sich Elemente wie Kohlenstoff, die für das Leben unentbehrlich sind, im Universum verbreiten. Jetzt hat das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA eine ständige Quelle kohlenstoffreichen Staubs in unserer eigenen Galaxis genauer untersucht: Wolf-Rayet 140, ein System aus zwei massereichen Sternen, die sich auf einer engen, länglichen Umlaufbahn befinden.

Wenn sie aneinander vorbeischwingen (im zentralen weißen Punkt auf den Webb-Bildern), prallen die Sternwinde beider Sterne aufeinander, das Material wird komprimiert, und es bildet sich kohlenstoffreicher Staub. Webb’s neueste Beobachtungen zeigen 17 Staubhüllen, die im mittleren Infrarotlicht leuchten und sich in regelmäßigen Abständen in den umgebenden Raum ausdehnen.

„Das Teleskop bestätigte nicht nur, daß diese Staubhüllen real sind, sondern seine Daten zeigten auch, daß sich die Staubhüllen mit gleichmäßigen Geschwindigkeiten nach außen bewegen und sichtbare Veränderungen in unglaublich kurzen Zeiträumen zeigen“, sagte Emma Lieb, die Hauptautorin der neuen Arbeit und Doktorandin an der Universität von Denver in Colorado.

Jede Hülle rast mit mehr als 2.600 Kilometern pro Sekunde von den Sternen weg, also fast 1 % der Lichtgeschwindigkeit. „Wir sind daran gewöhnt, daß Ereignisse im Weltraum langsam ablaufen, über Millionen oder Milliarden von Jahren“, fügte Jennifer Hoffman, eine Mitautorin und Professorin an der Universität Denver, hinzu. „In diesem System zeigt das Observatorium, daß sich die Staubhüllen von einem Jahr zum nächsten ausdehnen.

Wie ein Uhrwerk erzeugen die Sternwinde alle acht Jahre mehrere Monate lang Staub, wenn sich die beiden Sterne auf einer weiten, langgestreckten Umlaufbahn am nächsten kommen. Webb zeigt auch, wie die Staubbildung variiert – achten Sie auf die dunklere Region oben links in beiden Bildern (unten).

Auf den Bildern im mittleren Infrarotbereich des Teleskops wurden Hüllen entdeckt, die über 130 Jahre überdauert haben. (Ältere Hüllen haben sich so weit aufgelöst, daß sie jetzt zu lichtschwach sind, um erkannt zu werden.) Die Forscher spekulieren, daß die Sterne letztendlich Zehntausende von Staubhüllen über Hunderttausende von Jahren erzeugen werden.

„Beobachtungen im mittleren Infrarot sind für diese Untersuchung absolut entscheidend, da der Staub in diesem System recht kühl ist. Nahinfrarot und sichtbares Licht würden nur die Schalen zeigen, die dem Stern am nächsten sind“, erklärt Ryan Lau, Mitautor und Astronom am NSF NOIRLab in Tuscon, Arizona, der die ersten Forschungen zu diesem System leitete. „Mit diesen unglaublichen neuen Details erlaubt uns das Teleskop auch, genau zu untersuchen, wann die Sterne Staub bilden – fast auf den Tag genau.“

Die Verteilung des Staubes ist nicht gleichmäßig. Obwohl dies auf den ersten Blick nicht ersichtlich ist, zeigt sich beim Heranzoomen der Hüllen in den Webb-Bildern, daß sich ein Teil des Staubs „aufgetürmt“ hat und amorphe, zarte Wolken bildet, die so groß sind wie unser gesamtes Sonnensystem. Viele andere einzelne Staubpartikel schweben frei. Jedes Teilchen ist so klein wie ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares. Ob verklumpt oder nicht, der gesamte Staub bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit und ist reich an Kohlenstoff.

Die Zukunft dieses Systems

Was wird mit diesen Sternen in Millionen oder Milliarden von Jahren geschehen, wenn sie ihre Umgebung nicht mehr mit Staub „besprühen“? Der Wolf-Rayet-Stern in diesem System ist 10-mal so massereich wie die Sonne und nähert sich dem Ende seines Lebens. Im letzten „Akt“ wird dieser Stern entweder als Supernova explodieren – und dabei möglicherweise einige oder alle Staubhüllen wegsprengen – oder zu einem Schwarzen Loch kollabieren, was die Staubhüllen intakt lassen würde.

Obwohl niemand mit Sicherheit vorhersagen kann, was passieren wird, tippen die Forscher auf das Szenario mit einem Schwarzen Loch. „Eine wichtige Frage in der Astronomie lautet: Woher kommt der ganze Staub im Kosmos?“ sagte Lau. „Wenn kohlenstoffreicher Staub wie dieser alles übersteht, könnte er uns helfen, eine Antwort auf diese Frage zu finden.“

„Wir wissen, daß Kohlenstoff für die Bildung von Gesteinsplaneten und Sonnensystemen wie unserem notwendig ist“, fügte Hoffman hinzu. „Es ist aufregend, einen Einblick zu bekommen, wie Doppelsternsysteme nicht nur kohlenstoffreichen Staub erzeugen, sondern ihn auch in unsere galaktische Nachbarschaft schleudern.“

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht und auf einer Pressekonferenz anläßlich der 245. Tagung der American Astronomical Society in National Harbor, Maryland, vorgestellt.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick auf ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Vergleichende Beobachtungen von Wolf-Rayet 140 (MIRI Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Wolf-Rayet 140; WR 140
• Objektbeschreibung: Wolf-Rayet Stern
• Rektaszension: 20:20:27.98
• Deklination: +43:51:16.28
• Sternbild: Cygnus
• Entfernung: 5.600 Lichtjahre
• Daten
• Instrument: MIRI
• Filter: F770W, F1500W, F2100W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die mit dem James-Webb-Weltraumteleskop und dem MIRI-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um verschiedene infrarote Wellenlängenbereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Rot: F2100W Grün: F1500W Blau: F770W

Über das Bild: Beobachten Sie, wie sich Staub im Weltraum bewegt!

Vergleichen Sie die beiden vom James-Webb-Weltraumteleskop aufgenommenen Bilder im mittleren Infrarot von Wolf-Rayet 140, einem System von Staubhüllen, die von zwei massereichen Sternen auf einer länglichen Umlaufbahn ausgestoßen werden.

Sehen Sie sich die ersten beiden Bilder oben rechts an. Zwei Dreiecke sind aneinander angepaßt, um zu zeigen, wie groß der Unterschied zwischen 14 Monaten ist: Der Staub entfernt sich mit fast 1 % der Lichtgeschwindigkeit von den Zentralsternen und auf dem dritten Bild ist er nicht mehr einheitlich angeordnet.

Wenn die Winde der massereichen Sterne, die im ersten und zweiten Bild in der weißen zentralen Region zu sehen sind, zusammenstoßen und sich das Material verdichtet, bildet es kohlenstoffreichen Staub, der sich von den Sternen wegbewegt. Das ist ein Grund dafür, daß der Staub nicht gleichmäßig um die Sterne herum verteilt wird, um vollständige Hüllen zu bilden, sondern nur für ein paar Monate auf der acht Jahre währenden Umlaufbahn.

Wolf-Rayet 140 liegt etwas mehr als 5.000 Lichtjahre entfernt in unserer Milchstraße.

Sehen Sie sich das Video an, um die Bewegung des Staubes zu beobachten.

Wolf-Rayet 140 (MIRI Kompass-Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Wolf-Rayet 140; WR 140
• Objektbeschreibung: Wolf-Rayet Stern
• Rektaszension: 20:20:27.98
• Deklination: +43:51:16.28
• Sternbild: Cygnus
• Entfernung: 5.600 Lichtjahre
• Daten
• Instrument: MIRI
• Filter: F770W, F1500W, F2100W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind ein Komposit aus Einzelbelichtungen, die mit dem James-Webb-Weltraumteleskop und dem MIRI-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um verschiedene infrarote Wellenlängenbereiche zu erfassen. Die Farbe ergibt sich aus der Zuweisung verschiedener Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Rot: F2100W Grün: F1500W Blau: F770W

Über das Bild: Dieses Bild von Wolf-Rayet 140 aus dem Jahr 2023, einem System von Staubhüllen, die von zwei massereichen Sternen im Zentrum ausgestoßen werden, wurde mit dem MIRI (Mid-Infrared Instrument) des James-Webb-Weltraumteleskops aufgenommen.

Das Bild zeigt eine Skala, Kompasspfeile und einen Farbschlüssel als Hilfe.

Der Maßstabsbalken am unteren Rand ist in Lichtjahren angegeben, was der Entfernung entspricht, die das Licht in einem Erdjahr zurücklegt. Ein Lichtjahr entspricht etwa 9,46 Billionen Kilometer. Der Maßstabsbalken ist auch in Bogenminuten angegeben, was ein Maß für die Winkelentfernung am Himmel ist. Eine Bogensekunde entspricht einem Winkelmaß von 1/3600 eines Grades. Ein Grad besteht aus 60 Bogenminuten und eine Bogenminute aus 60 Bogensekunden (der Vollmond hat einen Winkeldurchmesser von annähernd 30 Bogenminuten). Die tatsächliche Größe eines Objekts, das eine Bogensekunde am Himmel einnimmt, hängt von seiner Entfernung zum Teleskop ab.

Die Kompasspfeile nach Norden und Osten zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel an. Beachten Sie, dass die Beziehung zwischen Norden und Osten am Himmel (von unten gesehen) im Vergleich zu den Richtungspfeilen auf einer Karte des Bodens (von oben gesehen) umgekehrt ist.

Dieses Bild zeigt Wellenlängen des Lichts im mittleren Infrarotbereich, die in Farben des sichtbaren Lichts umgewandelt wurden. Der Farbschlüssel zeigt, welche MIRI-Filter bei der Aufnahme des Lichts verwendet wurden. Die Farbe jedes Filternamens ist die Farbe des sichtbaren Lichts, die verwendet wird, um das infrarote Licht darzustellen, das durch diesen Filter hindurchgeht.

Überblendung der Beobachtungen von Wolf-Rayet 140 zwischen 2022 und 2023

Dieses Video zeigt abwechselnd zwei Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops von Wolf-Rayet 140, einem Doppelsternsystem, das im Laufe von 130 Jahren mehr als 17 Staubhüllen abgestoßen hat. Beobachtungen im mittleren Infrarotlicht heben sie mit ausgezeichneter Klarheit hervor.

Durch den Vergleich dieser beiden Beobachtungen, die im Abstand von nur 14 Monaten gemacht wurden, konnten die Forscher zeigen, daß sich der Staub im System ausgedehnt hat. Der gesamte Staub in jeder Hülle bewegt sich mit fast 1 % der Lichtgeschwindigkeit.

Die Sterne sind sehr hell, was zu den Beugungsspitzen in beiden Bildern führte. Dies sind Störsignale, keine bedeutsamen Strukturen.

Die Umlaufbahnen der Sterne in Wolf-Rayet 140

Wenn die beiden massereichen Sterne in Wolf-Rayet 140 aneinander vorbei-schwingen, stoßen ihre Winde zusammen, das Material verdichtet sich und es bildet sich kohlenstoffreicher Staub. Die stärkeren Winde des heißeren Wolf-Rayet-Sterns wehen hinter seinem etwas kühleren (aber immer noch heißen) Begleiter. Die Sterne erzeugen für mehrere Monate während ihres  achtjährigen Umlaufs.