Planetaire nevels zijn de toegangspoort tot de astronomie. Hun opvallende vormen doen ons afvragen door welk proces ze zijn ontstaan en wat er nog meer aan de nachtelijke hemel gebeurt. Het zijn enkele van de mooiste, kortstondig ogende objecten in de hele natuur.
De Hubble-ruimtetelescoop is verantwoordelijk voor veel van onze meest prachtige beelden van planetaire nevels . Maar de beelden zijn meer dan alleen boeiende eye-candy. Ze zijn documentatie van een complex proces dat zich over tienduizenden jaren in het hele universum afspeelt.
En ze zijn een doodsklok voor de ster die binnenin woont.
De naam kan ons afschrikken; er is niets planetair aan hen. Maar vroege astronomen hadden niet de hoge resolutiebeelden die we nu als vanzelfsprekend beschouwen. Ze moesten door allerlei zelfgemaakte dingen naar de lucht kijken, de een wat beter dan de ander. Het kan de Engelse astronoom zijn geweest William Herschel die voor het eerst de term 'planetaire nevel' bedacht toen hij de objecten in de jaren 1780 als planetair beschreef.
Maar er is niets planetair aan hen.
In het hart van elke nevel bevindt zich een ster, die zijn gasvormige lagen de ruimte in werpt en die nevelvormen verlicht met zijn eigen licht.
In een poging om ons begrip van planetaire nevels te vergroten, heeft een team van onderzoekers de Hubble-ruimtetelescoop gebruikt om een paar bekende nevels in meer detail te onderzoeken. De hoofdauteur van het nieuwe artikel is Joel Kastner van het Rochester Institute of Technology. De titel van de krant is ' Eerste resultaten van een panchromatische HST/WFC3-beeldvormingsstudie van de jonge, snel evoluerende planetaire nevels NGC 7027 en NGC 6302. Het is gepubliceerd in het tijdschrift Galaxies.
Een gewone ster zoals onze zon heeft een redelijk stabiel, stabiel leven. Het kan ongeveer 10 miljard jaar voorspelbare kernsplijting verwachten. Maar dan begint het waterstof op te raken, en dat betekent een grote verandering in zijn fortuin.
Elke ster is een evenwichtsoefening tussen de uitwendige druk van zijn fusie en de inwendige druk van zijn eigen zwaartekracht. De twee krachten zijn grotendeels in evenwicht, en voor sterren als de zon duurt dat evenwicht lang. Maar aan alles komt een einde.
Als de waterstof opraakt en de ster voldoende massa verliest, zet de ster uit en verandert in een rode reus . Dit is het lot van alle sterren met een gemiddelde massa, tussen 1 en 8 zonsmassa's, en het is het uiteindelijke lot van onze eigen zon.
Artistieke impressie van een rode reuzenster. Krediet: NASA/Walt Feimer
Zodra die rode reus zijn atmosfeer heeft verdreven, blijft alleen de lichtgevende kern van de ster over. De ultraviolette straling van de ster ioniseert het uitgestoten gas uit de atmosfeer van de ster. Dat materiaal licht dan op en vormt de prachtige vormen die we nog hebben om naar te kijken.
Dus astronomen weten in grote lijnen wat er met nevels aan de hand is. Maar sommige van de complexe vormen die ze maken, zijn nog steeds een raadsel. Hoewel sommige bolvormig zijn, hebben de meeste zeer complexe vormen en structuren. De onderzoekers achter deze nieuwe studie wilden meer te weten komen over deze vormen en de oorzaak ervan.
'Terwijl ik de resulterende afbeeldingen aan het downloaden was, voelde ik me als een kind in een snoepwinkel.'
JOel Kastner, hoofdauteur, Rochester Institute of Technology
Hun werk richtte zich op twee planetaire nevels: NGC 6302 en NGC 7027.
NGC 6302 is beter bekend als de Vlindernevel, een voor de hand liggende bijnaam als je ernaar kijkt. De centrale ster is een van de heetste sterren die astronomen kennen, en de nevel is een van de meest complexe die ooit zijn gezien.
Hubble is onlangs opnieuw getraind op NGC 6302, bekend als de 'Vlindernevel', om deze te observeren over een vollediger lichtspectrum, van bijna-ultraviolet tot bijna-infrarood, waardoor onderzoekers de mechanica aan het werk in zijn technicolor 'vleugels' beter begrijpen van aardgas. Afbeelding tegoed: NASA, ESA en J. Kastner (RIT)
NGC 7027 heeft ook een andere naam: de Jewel Bug. De Jewel Bug is een van de jongste nevels, slechts 600 jaar oud. Het is ook een van de helderste en de meest uitgebreid bestudeerde nevel.
Onlangs werd de centrale ster van NGC 7027 voor het eerst geïdentificeerd in een nieuwe golflengte van licht - bijna-ultraviolet - door gebruik te maken van de unieke mogelijkheden van Hubble. De bijna-ultraviolette waarnemingen zullen helpen onthullen hoeveel stof de ster verduistert en hoe heet de ster werkelijk is. Afbeelding tegoed: NASA , DIT , en J. Kastner (RIT)
Voor dit paar nevels is het de eerste keer dat ze zijn bestudeerd in deze weergave met meerdere golflengten. Alleen de Hubble is in staat om deze objecten gelijktijdig te bestuderen, van bijna-ultraviolet tot bijna-infrarood licht.
Zoals duidelijk wordt als je ernaar kijkt, gebeurt er veel in deze nevels. Er zijn bosjes en ranken, bellen en slingers. De nieuwe Hubble-afbeeldingen geven deze onderzoekers een nieuw inzicht in wat er achter al deze prachtige chaos zit.
'Toen ik in het Hubble-archief keek en me realiseerde dat niemand deze nevels had waargenomen met Hubble's Wide Field Camera 3 over zijn volledige golflengtebereik, was ik gevloerd', zei Joel Kastner van Rochester Institute of Technology, Rochester, New York, leider van de nieuwe studie. 'Deze nieuwe Hubble-waarnemingen met meerdere golflengten bieden het meest uitgebreide beeld tot nu toe van beide spectaculaire nevels. Terwijl ik de resulterende afbeeldingen aan het downloaden was, voelde ik me als een kind in een snoepwinkel.'
De nieuwe beelden wierpen meteen vruchten af. Ze toonden aan dat beide nevels zichzelf snel uit elkaar splijten. Dat heeft de astronomen in staat gesteld kennis te nemen van veranderingen in de afgelopen decennia.
'De nevel NGC 7027 toont emissie bij een ongelooflijk groot aantal verschillende golflengten, die elk niet alleen een specifiek chemisch element in de nevel benadrukken, maar ook de significante, voortdurende veranderingen in zijn structuur', zei Kastner.
Een van de raadselachtige dingen aan deze objecten is hun overgang van een rode reus, of Asymptomatische reuzentak ster met langzame stellaire winden, naar het vroege planetaire nevelstadium met veel snellere winden. De wind neemt toe van ongeveer 10-20 km s-1tot ongeveer 100-300 km s-1als de sterren met tussenliggende massa beginnen te sterven. Er is een brede wetenschappelijke consensus dat deze veranderingen, en de vormen die ze creëren, worden aangedreven door de interacties tussen een dubbelsterpaar in de nevels in plaats van een enkele ster.
Terwijl het paar sterren om elkaar heen cirkelt, komen ze uiteindelijk dicht genoeg bij elkaar om te interageren. De interactie produceert een schijf van gas rond een of beide sterren. Die schijf wordt dan de gasbron die wordt uitgestoten door de centrale ster en vormt de complexe patronen die we zien.
Het sterrenpaar kan ook een andere interactie hebben. Als de kleinste van het dubbelsterpaar versmelt met zijn gezwollen broer of zus, kan hij uitstromende materiaalstralen creëren, en na verloop van tijd kunnen die grappen wiebelen. Het wiebelen kan symmetrie creëren, zoals de 'vleugels' van de Vlindernevel. Dit soort vleugels van uitstromende jets komen veel voor in nevels.
Veel planetaire nevels hebben een ruwweg symmetrische vorm. Van links naar rechts: de Tweelingstraalnevel, de Zandlopernevel en de Kalebasnevel. Afbeeldingscredits: NASA/ESA/Hubble.
'De hypothese van samensmeltende sterren lijkt de beste en eenvoudigste verklaring voor de kenmerken die te zien zijn in de meest actieve en symmetrische planetaire nevels.'
Bruce Balick, co-auteur, Universiteit van Washington
Het punt is dat niemand ooit de begeleidende sterren heeft gezien. Maar het is nog steeds de beste verklaring, volgens co-auteur Bruce Balick van de Universiteit van Washington in Seattle.
“De vermoedelijke begeleidende sterren in NGC 6302 en NGC 7027 zijn niet direct gedetecteerd omdat ze naast, of misschien al zijn opgeslokt door, grotere rode reuzensterren, een type ster dat honderden tot duizenden keren helderder is dan de Zon,' zei Balick in een... persbericht . “De hypothese van samensmeltende sterren lijkt de beste en eenvoudigste verklaring voor de kenmerken die te zien zijn in de meest actieve en symmetrische planetaire nevels. Het is een krachtig verenigend concept, tot nu toe zonder rivaal.”
In de afbeelding van de Vlindernevel gebruikte de Hubble een filter dat de nabij-infrarode emissie van enkelvoudig geïoniseerde ijzeratomen registreert. Dat ijzer verschijnt als een rode 'S'-vorm, die 'het zuidelijke binnenste van de oostelijke kwabrand en het noordelijke binnenste van de westelijke kwabrand volgt', zoals de auteurs van de studie schrijven.
De S is gas dat met hoge snelheid uit het centrale gebied wordt geblazen.
Een afbeelding uit het onderzoek. Kleuroverlay van HST/WFC3-smalbandafbeeldingen van cyclus 27 van NGC 6302, de vlindernevel. Filter F343N ([Ne v]) is blauw, F128N (Pa?) is groen en F164N ([Fe ii]) is rood. Het noorden is boven en het oosten is links. Image Credit: NASA/ESA/Hubble, Kastner et al, 2020.
'De S-vorm in de ijzeremissie van de Vlindernevel is een echte eye-opener,' zei Kastner. De S-vorm volgt direct de meest recente uitstoot vanuit het centrale gebied, aangezien de botsingen binnen de nevel bijzonder hevig zijn in deze specifieke gebieden van NGC 6302. “Deze ijzeremissie is een gevoelige tracer van energetische botsingen tussen langzamere wind en snelle wind van de sterren,' legde Balick uit. “Het wordt vaak waargenomen in supernovaresten en actieve galactische kernen, en uitstromende jets van pasgeboren sterren, maar wordt zeer zelden gezien in planetaire nevels.”
'Het feit dat de ijzeremissie alleen langs deze tegengestelde, niet-gecentreerde richtingen verschijnt, impliceert dat de bron van de snelle stromen in de loop van de tijd wiebelt, als een tol die op het punt staat te vallen', voegde Kastner eraan toe. 'Dat is een ander veelbetekenend teken van de aanwezigheid van een schijf, die de stroom stuurt, en ook een binaire metgezel.'
De Jewel Bug Nebula, of NGC 7027, mist de symmetrische uitstromende jets van zijn tegenhanger. Eeuwenlang blaast het gas uit in een bijna bolvormige vorm. Dit wordt gezien als de concentrische ringen aan de buitenkant van de nevel. Maar dat is de laatste tijd veranderd.
'In sommige opzichten zijn de veranderingen in deze nevel zelfs nog dramatischer dan die in de vlinder,' zei Kastner. 'Onlangs ging er iets mis in het centrum, waardoor een nieuw klaverbladpatroon ontstond, met kogels van materiaal die in specifieke richtingen schoten.'
Een afbeelding van de studie. Kleuroverlay van HST/WFC3-smalbandbeelden van cyclus 27 van NGC 7027. Filter F343N ([Ne v]) is blauw, F502N ([O iii]) is groen en F164N ([Fe ii]) is rood. Het noorden is boven en het oosten is links. Afbeelding tegoed: NASA/ESA/Hubble; Kastner et al, 2020.
De ingewikkelde en verbluffende patronen in de Jewel Bug-nevel hebben waarschijnlijk een andere oorzaak. Ze worden nog steeds gemaakt door interacties tussen twee sterren. Maar in dit geval kan een rode reuzenster zijn metgezel hebben ingeslikt.
'We hebben een sluipend vermoeden dat deze nevel een goed voorbeeld is van wat er gebeurt als een rode reuzenster abrupt een metgezel inslikt', zei co-auteur Rudolfo Montez Jr. Montez Jr. is van het Centrum voor Astrofysica | Harvard en Smithsonian.
De nevels in deze studie zijn twee van de jongste en snelst evoluerende planetaire nevels die we kennen. Decennialang heeft dit paar gediend als maatstaf in de studie van nevels. Ze vertegenwoordigen twee klassen planetaire nevels, beide gevormd door verschillende interacties van binaire paren. Ze zijn structureel complex en vol wetenschappelijke details.
Ze zijn ook gewoon mooi.
Meer:
- Persbericht: HUBBLE BIEDT HOLISTISCH UITZICHT OP STERREN GEGAAN HAYWIRE
- Onderzoeksdocument: Eerste resultaten van een panchromatische HST/WFC3-beeldvormingsstudie van de jonge, snel evoluerende planetaire nevels NGC 7027 en NGC 6302
- Universum vandaag: Een planetaire nevel als deze zal slechts ongeveer 10.000 jaar zichtbaar zijn voordat hij vervaagt