Nya Hubble-bilder av planetariska nebulosor

Planetariska nebulosor är astronomis inkörsportläkemedel. Deras iögonfallande former får oss att undra vilken process som skapade dem, och vad mer som pågår där uppe på natthimlen. De är några av de vackraste, kortvariga föremålen i hela naturen.

Rymdteleskopet Hubble är ansvarigt för många av våra mest underbara bilder av planetariska nebulosor . Men bilderna är mer än bara fängslande ögongodis. De är dokumentation av en komplex process som utspelar sig under tiotusentals år, över hela universum.

Och de är en dödsstöt för stjärnan som bor inom.

Namnet kan kasta oss av; det finns inget planetariskt med dem. Men tidiga astronomer hade inte de högupplösta bilderna som vi tar för givna nu. De var tvungna att titta på himlen genom alla möjliga hemgjorda tillbehör, vissa bättre än andra. Det kan ha varit den engelske astronomen William Herschel som först myntade termen 'planetarisk nebulosa' när han beskrev objekten som planetariska till utseendet redan på 1780-talet.

Men det finns inget planetariskt med dem.

I hjärtat av varje nebulosa finns en stjärna som släpper ut sina gaslager i rymden och lyser upp dessa nebulosa med sitt eget ljus.

I ett försök att öka vår förståelse av planetariska nebulosor använde ett team av forskare Hubble Space Telescope för att undersöka ett par välkända nebulosor mer i detalj. Huvudförfattaren till den nya artikeln är Joel Kastner från Rochester Institute of Technology. Tidningens titel är ' De första resultaten från en pankromatisk HST/WFC3-avbildningsstudie av de unga, snabbt utvecklande planetariska nebulosorna NGC 7027 och NGC 6302. Det är publicerat i tidskriften Galaxies.

En vanlig stjärna som vår sol har ett ganska stadigt, stabilt liv. Den kan förvänta sig cirka 10 miljarder år av förutsägbar kärnklyvning. Men sedan börjar det ta slut på väte, och det signalerar en stor förändring i dess förmögenhet.

Varje stjärna är en balansgång mellan det yttre trycket från dess fusion och det inåtriktade trycket från dess egen gravitation. De två krafterna är till stor del i balans, och för stjärnor som solen varar den balansen länge. Men allt har ett slut.

När vätet tar slut och stjärnan tappar tillräckligt med massa, expanderar stjärnan och förvandlas till en röd jätte . Detta är ödet för alla medelstora stjärnor, mellan 1 och 8 solmassor, och det är vår egen sols slutliga öde.

Konstnärens intryck av en röd jättestjärna. Kredit: NASA/ Walt Feimer

När den röda jätten väl har drivit ut sin atmosfär är allt som återstår stjärnans lysande kärna. Den ultravioletta strålningen från stjärnan joniserar den utstötta gasen från stjärnans atmosfär. Det materialet lyser sedan upp och bildar de vackra former som vi har kvar att titta på.

Så astronomer vet i stora drag vad som händer med nebulosor. Men några av de komplexa former de gör är fortfarande förbryllande. Även om vissa är sfäriska, har majoriteten av dem mycket komplexa former och strukturer. Forskarna bakom denna nya studie ville ta reda på mer om dessa former och vad som orsakar dem.

'När jag laddade ner de resulterande bilderna kände jag mig som ett barn i en godisbutik.'

JOel Kastner, huvudförfattare, Rochester Institute of Technology

Deras arbete fokuserade på två planetariska nebulosor: NGC 6302 och NGC 7027.

NGC 6302 är mer känd som fjärilsnebulosan, en uppenbar moniker när man tittar på den. Dess centrala stjärna är en av de hetaste stjärnorna astronomerna känner till, och nebulosan är en av de mest komplexa som någonsin setts.

Hubble tränades nyligen om på NGC 6302, känd som 'Fjärilsnebulosan', för att observera den över ett mer komplett ljusspektrum, från nära-ultraviolett till nära-infrarött, vilket hjälper forskare att bättre förstå mekaniken som fungerar i dess technicolor 'vingar' av gas. Bildkredit: NASA, ESA och J. Kastner (RIT)

NGC 7027 har också ett annat namn: Jewel Bug. Jewel Bug är en av de yngsta nebulosorna, bara 600 år gammal. Det är också en av de ljusaste och är den mest omfattande studerade nebulosan.

Nyligen identifierades NGC 7027:s centrala stjärna i en ny våglängd av ljus - nästan ultraviolett - för första gången genom att använda Hubbles unika kapacitet. De nästan ultravioletta observationerna hjälper till att avslöja hur mycket damm som skymmer stjärnan och hur varm stjärnan verkligen är. Bildkredit: NASA , DETTA , och J. Kastner (RIT)

För detta par av nebulosor är det första gången de har studerats i denna multi-våglängdsvy. Endast Hubble kan studera dessa objekt samtidigt från nära-ultraviolett till nära-infrarött ljus.

Som är uppenbart av att titta på dem händer det mycket i dessa nebulosor. Det finns klumpar och rankor, bubblor och serpentiner. De nya Hubble-bilderna ger dessa forskare lite ny insikt om vad som ligger bakom allt detta underbara kaos.

'När jag tittade i Hubble-arkivet och insåg att ingen hade observerat de här nebulosorna med Hubbles Wide Field Camera 3 över dess fulla våglängdsområde, blev jag förkyld', säger Joel Kastner från Rochester Institute of Technology, Rochester, New York, ledare för ny studie. 'Dessa nya Hubble-observationer med flera våglängder ger den hittills mest omfattande bilden av båda dessa spektakulära nebulosor. När jag laddade ner de resulterande bilderna kände jag mig som ett barn i en godisbutik.”

De nya bilderna gav utdelning direkt. De visade att båda nebulosorna delar sig själva snabbt. Det har gjort det möjligt för astronomerna att notera förändringar under de senaste decennierna.

'Nebulosan NGC 7027 visar utsläpp vid ett otroligt stort antal olika våglängder, som var och en belyser inte bara ett specifikt kemiskt element i nebulosan, utan också de betydande, pågående förändringarna i dess struktur,' sa Kastner.

En av de förbryllande sakerna med dessa föremål är deras övergång från en röd jätte, eller Asymptomatisk jättegren stjärna med långsamma stjärnvindar, till det tidiga planetariska nebulosastadiet med mycket snabbare vindar. Vindarna ökar från cirka 10–20 km s^-1till cirka 100–300 km s^-1när mellanmassans stjärnor börjar dö. Det finns en bred vetenskaplig konsensus om att dessa förändringar, och de former de skapar, drivs av interaktionerna mellan ett binärt par stjärnor i nebulosorna snarare än en enda stjärna.

När paret stjärnor kretsar runt varandra kommer de så småningom tillräckligt nära för att interagera. Interaktionen producerar en gasskiva runt en eller båda stjärnorna. Den skivan blir sedan källan till gas som sänds ut av den centrala stjärnan och bildar de komplexa mönstren vi ser.

Stjärnparet kan också ha en annan interaktion. Om den minsta av det binära paret av stjärnor smälter samman med sitt svullna syskon, kan det skapa utströmmande strålar av material, och med tiden kan dessa skämt vingla. Vinklingen kan skapa symmetri, som fjärilsnebulosans 'vingar'. Dessa typer av vingar av utströmmande jetstrålar är vanliga i nebulosor.

Många planetariska nebulosor har en ungefär symmetrisk form. Från vänster till höger: Twin Jet Nebula, Hourglasnebula och Calabash Nebula. Bildkrediter: NASA/ESA/Hubble.

'Hypotesen om sammansmältande stjärnor verkar vara den bästa och enklaste förklaringen till egenskaperna som ses i de mest aktiva och symmetriska planetariska nebulosorna.'

Bruce Balick, medförfattare, University of Washington

Saken är den att ingen någonsin har sett sällskapsstjärnorna. Men det är fortfarande den bästa förklaringen, enligt medförfattaren Bruce Balick från University of Washington i Seattle.

'De misstänkta följeslagningsstjärnorna i NGC 6302 och NGC 7027 har inte upptäckts direkt eftersom de ligger bredvid, eller kanske redan har svalts av, större röda jättestjärnor, en typ av stjärna som är hundratals till tusentals gånger ljusare än Sun,' sa Balick i en pressmeddelande . 'Hypotesen om sammansmältning av stjärnor verkar vara den bästa och enklaste förklaringen till särdragen i de mest aktiva och symmetriska planetariska nebulosorna. Det är ett kraftfullt förenande koncept, hittills utan rival.'

På bilden av fjärilsnebulosan använde Hubble ett filter som registrerar den nära-infraröda emissionen från enskilt joniserade järnatomer. Det järnet visas som en röd 'S'-form, som 'spår den södra insidan av den östra lobkanten och den norra insidan av den västra lobkanten', som författarna till studien skriver.

S är gas som blåses ut ur det centrala området med hög hastighet.

En bild från studien. Färgöverlagring av cykel 27 HST/WFC3 smalbandsbilder av NGC 6302, fjärilsnebulosan. Filter F343N ([Ne v]) är blått, F128N (Pa?) är grönt och F164N ([Fe ii]) är rött. Norr är upp och öst är till vänster. Bildkredit: NASA/ESA/Hubble, Kastner et al, 2020.

'S-formen i järnemissionen från fjärilsnebulosan är en riktig ögonöppnare,' sa Kastner. S-formen spårar direkt de senaste utstötningarna från den centrala regionen, eftersom kollisionerna inom nebulosan är särskilt våldsamma i dessa specifika områden av NGC 6302. 'Detta järnutsläpp är ett känsligt spår av energiska kollisioner mellan långsammare vindar och snabba vindar från stjärnorna”, förklarade Balick. 'Det observeras ofta i supernovarester och aktiva galaktiska kärnor och utströmmande jetstrålar från nyfödda stjärnor, men ses mycket sällan i planetariska nebulosor.'

'Det faktum att järnemissionen bara dyker upp längs dessa motsatta, off-center riktningar antyder att källan till de snabba flödena vinglar över tiden, som en snurra som håller på att falla', tillade Kastner. 'Det är ytterligare ett tydligt tecken på närvaron av en skiva, som styr flödet, och även en binär följeslagare.'

Jewel Bug Nebula, eller NGC 7027, saknar de symmetriska utströmmande strålarna från sin motsvarighet. I århundraden har den blåst ut gas i en nästan sfärisk form. Detta ses som de koncentriska ringarna på utsidan av nebulosan. Men det har förändrats på senare tid.

'I vissa avseenden är förändringarna i denna nebulosa ännu mer dramatiska än de i fjärilen,' sa Kastner. 'Något gick nyligen i centrum i mitten och producerade ett nytt klöverbladsmönster, med kulor av material som skjuter ut i specifika riktningar.'

En bild av studien. Färgöverlagring av cykel 27 HST/WFC3 smalbandsbilder av NGC 7027. Filter F343N ([Ne v]) är blått, F502N ([O iii]) är grönt och F164N ([Fe ii]) är rött. Norr är upp och öst är till vänster. Bildkredit: NASA/ESA/Hubble; Kastner et al, 2020.

De invecklade och fantastiska mönstren i Jewel Bug-nebulosan har sannolikt en annan orsak. De skapas fortfarande av interaktioner mellan två stjärnor. Men i det här fallet kan en röd jättestjärna ha svalt sin följeslagare.

'Vi har en smygande misstanke om att den här nebulosan är ett bra exempel på vad som händer när en röd jättestjärna plötsligt sväljer en följeslagare', sa medförfattaren Rudolfo Montez Jr. Montez Jr. kommer från Center for Astrophysics | Harvard och Smithsonian.

Nebulosorna i denna studie är två av de yngsta och snabbast utvecklande planetariska nebulosorna som vi känner till. I decennier har detta par fungerat som ett riktmärke i studiet av nebulosor. De representerar två klasser av planetariska nebulosor, båda formade av olika binära parinteraktioner. De är strukturellt komplexa och fulla av vetenskapliga detaljer.

De är också helt enkelt vackra.

Mer:

• Pressmeddelande: HUBBLE GER HELHETSVISNING AV STJÄRNOR BORTA HAYWIRE
• Uppsats: De första resultaten från en pankromatisk HST/WFC3-avbildningsstudie av de unga, snabbt utvecklande planetariska nebulosorna NGC 7027 och NGC 6302
• Universum idag: En sådan planetarisk nebulosa kommer bara att vara synlig i cirka 10 000 år innan den försvinner