Neun neue und exotische Geschöpfe für den Pulsar-Zoo

MeerKAT entdeckt kosmische Leuchtfeuer mit ungewöhnlichen Eigenschaften

Neun Millisekundenpulsare, die meisten davon in seltenen und teils ungewöhnlichen Doppelsternsystemen: Das sind die ersten Ergebnisse einer gezielten Durchmusterung mit dem südafrikanischen Teleskopnetzwerk MeerKAT. Dies hat heute ein internationales Team unter maßgeblicher Beteiligung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) veröffentlicht. Sie wählten 79 nicht identifizierte pulsarähnliche Quellen aus Beobachtungen des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA aus und beobachteten sie im Funkbereich mit MeerKAT. Die Kombination dieser bewährten Methode mit einem Teleskopnetzwerk der nächsten Generation hat deutliche Vorteile gegenüber bisherigen Surveys. Das Team entdeckte neun schnell rotierende Neutronensterne, die meisten davon mit ungewöhnlichen Eigenschaften. In zwei dieser Objekte wurden Gammastrahlenpulse, optische Äquivalente und Röntgenstrahlen aus einem anderen System entdeckt. Das Team hinter der Veröffentlichung suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von einem der Neutronensterne. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Suche nach Radiopulsaren in Katalogen nicht identifizierter Gammastrahlenquellen. Diese sollen weitere Erkenntnisse liefern: Die Forscher sind zuversichtlich, dass zukünftige Beobachtungen mehrere weitere Millisekundenpulsare offenbaren werden.

Auch Lesen :  Neu von Voigtländer für Nikon Z: 15mm / 1:4,5 Super Wide Heliar asphärisch und 50mm / 1:1,0 Nokton asphärisch

„Für unsere Fallendurchmusterung haben wir eine Auswahl vielversprechender pulsarähnlicher Quellen mit MeerKAT, einem relativ neuen und extrem empfindlichen Radioteleskop, zusammen mit einer speziellen Analysesoftware beobachtet“, sagt Colin Clark, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik ( Albert-Einstein-Institut) in Hannover und Erstautor der Studie. „Der Lohn für unsere Bemühungen kann sich sehen lassen: Wir haben neun neue Millisekundenpulsare entdeckt, von denen einige recht ungewöhnlich sind.“

Das Team verwendete einen bewährten Ansatz, um neue Millisekundenpulsare zu entdecken: Der Katalog des Fermi Large Area Telescope zeichnet Gammastrahlenquellen auf, die vom Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA während achtjähriger Beobachtungen entdeckt wurden. Dieser Katalog enthält Informationen über die Himmelspositionen der Quellen, die Energieverteilung ihrer Gammastrahlen und die zeitlichen Änderungen ihrer Gammastrahlenhelligkeit. „Wir haben Methoden des maschinellen Lernens verwendet, um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass alle Quellen im Fermi-Katalog, die nicht mit bekannten Himmelsobjekten verwandt sind, Pulsare sind“, erklärt Clark. „So haben wir die pulsarähnlichsten Quellen im Fermi-Katalog identifiziert. Dann haben wir unsere Liste auf die Quellen reduziert, die am wahrscheinlichsten durch unsere Vermessung nachweisbar sind. Dann haben wir 79 Brunnen mit MeerKAT beobachtet.“

MeerKAT bietet eine beispiellose Empfindlichkeit am Südhimmel

MeerKAT ist ein Array aus 64 Parabolantennen mit einem effektiven Durchmesser von jeweils 13,5 Metern in der Karoo in Südafrika. MeerKAT bietet eine beispiellose Empfindlichkeit für Himmelsobjekte in der südlichen Hemisphäre. Es ist in der Lage, Quellen aufzuspüren, die etwa fünfmal schwächer sind als die, die mit dem zweitempfindlichsten Teleskop der südlichen Hemisphäre beobachtet werden.

Das Transients and Pulsars using MeerKAT (Trapum) Large Survey Project nutzt diese Empfindlichkeit, um nach neuen Pulsaren in den Teilen des Himmels zu suchen, in denen sie am wahrscheinlichsten zu finden sind: Kugelsternhaufen, nahe Galaxien, Supernova-Überreste und – wie dieser Survey – nicht identifizierte Quellen von Gammastrahlen. Dies erforderte die Entwicklung spezieller Computerhardware, die die Daten der MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen großen Radioteleskop kombiniert, das in der Lage ist, fast 500 eng beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig zu beobachten.

Bei dieser schrittweisen Untersuchung von Fermiquellen nutzen die Astronomen die zusätzliche Empfindlichkeit von MeerKAT, um die Beobachtungszeit auf nur 10 Minuten zu reduzieren. Dies ist deutlich kürzer als die Stunden an Beobachtungen, die zuvor erforderlich waren, um Pulsare in diesen Quellen zu finden.

Kurzbeobachtungen haben viele Vorteile: In einer begrenzten Beobachtungszeit können mehr Quellen erfasst werden. Sie können mehrmals beobachtet werden, was die Chance erhöht, einen neuen Radiopulsar zu entdecken, da sie beim ersten Mal nicht immer sichtbar sind. Die Trapum-Pulsar-Durchmusterung umfasste zwei Beobachtungen pro Quelle. Die Analyse von kurzen Beobachtungen ist rechentechnisch weniger anspruchsvoll als die von längeren. Darüber hinaus kann die Orbitalbewegung in Doppelsternsystemen die Erkennung eines Radiopulsars erschweren. Während einer kurzen Beobachtungszeit ist die Bewegung des Pulsars nahezu konstant, was den Nachteil einer sich ändernden Bahnbewegung verringert.

Neben der hohen Empfindlichkeit bietet das MeerKAT-Teleskopnetzwerk aufgrund seiner Reichweite einen weiteren Vorteil gegenüber Radioteleskopen mit einer einzelnen Parabolantenne. MeerKAT kann die Himmelsposition neuer Quellen mit sehr hoher Genauigkeit bestimmen. Dies ermöglicht schnelle Folgeuntersuchungen bei anderen Wellenlängen.

Neun neue Millisekundenpulsare

Die Suche nach Pulsaren in den großen Datenmengen, die während Pass-Through-Beobachtungen erzeugt werden, erfordert viel Rechenleistung und schnelle Verarbeitung, um Speicherplatz für zusätzliche Beobachtungen freizugeben.

„Wir haben speziell entwickelte Datenanalysemethoden verwendet, die auf 120 GPUs auf einem dedizierten Computerarray laufen, um unsere MeerKAT-Beobachtungen zu untersuchen. Wir haben schnell neun Millisekunden-Pulsarkandidaten gefunden, die wir alle mit zusätzlichen MeerKAT-Beobachtungen bestätigen konnten“, sagt Team Ewan Barr Leiter am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Trapum-Projektwissenschaftler: „Es ist großartig, dass wir diese Bestätigungsbeobachtungen auch nutzen konnten, um die Himmelspositionen zu verfeinern, da MeerKAT viele eng beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig beobachten kann. Dies ist von unschätzbarem Wert für Folgestudien bei verschiedenen Wellenlängen.”

Ein nahegelegenes Doppelsternsystem bestehend aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg

Einer der entdeckten Pulsare, PSR J1526-2744, wurde dann im Detail untersucht. Nach der Entdeckung dieses Radiopulsars in einem Doppelsternsystem konnten die Forscher auch die Gammapulsationen des Neutronensterns nachweisen. Mit Hilfe aller verfügbaren Fermi-Daten konnten sie die Bahnbewegung im Detail studieren und die Eigenschaften des Doppelsternsystems bestimmen. Höchstwahrscheinlich umkreist der Neutronenstern den gemeinsamen Massenschwerpunkt mit einem leichten Weißen Zwerg in etwas weniger als fünf Stunden. Dies wäre eine der kürzesten bekannten Umlaufzeiten solcher Doppelsternsysteme.

Das Team suchte auch nach sogenannten kontinuierlichen Gravitationswellen von PSR J1526-2744. Wenn der Neutronenstern deformiert wäre, würde er Gravitationswellen mit doppelter Rotationsfrequenz aussenden. Die Forscher verwendeten alle öffentlich verfügbaren Advanced-LIGO-Daten aus Beobachtungen der Läufe O1, O2 und O3. Da das Forscherteam die Bewegung des Pulsars im Doppelsternsystem aus den Gammastrahlenbeobachtungen genau kannte, erreichte es die höchstmögliche Empfindlichkeit für die Suche nach Gravitationswellen.

Gravitationswellen

Obwohl sie keine kontinuierlichen Gravitationswellen von PSR J1526-2744 beobachteten, konnten sie messen, wie weit der Neutronenstern von der perfekten Achsensymmetrie abwich. „Wir wissen jetzt, dass PSR J1526-2744 tatsächlich sehr symmetrisch ist. Wir haben gezeigt, dass der Äquator des Neutronensterns nicht viel mehr als den Durchmesser eines menschlichen Haares von einem perfekten Kreis abweichen kann“, sagt Anjana Ashok, Doktorandin in die ständige unabhängige Max-Planck-Forschungsgruppe „Kontinuierliche Gravitationswellen“ am Max. Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. Sie leitete die Suche nach Gravitationswellen.

Zwei weitere Pulsare, PSR J1036-4353 und PSR J1803-6707, sind typische “Rotrücken”-Pulsarsysteme, die aus Neutronensternen mit Begleitern bestehen, die mindestens ein Viertel der Masse unserer Sonne haben. Diese Pulsare zerstören ihre Gefährten, indem sie sie mit der Zeit aussaugen, ähnlich wie die gleichnamigen australischen Rotrückenspinnen, deren Weibchen nach der Paarung Männchen fressen.

Nach der schnellen und genauen Bestimmung der Pulsarpositionen mit den einzigartigen Fähigkeiten von MeerKAT identifizierte das Team die Pulsarbegleiter im Sternkatalog der Astrometrie-Mission Gaia und untersuchte sie im optischen Spektrum mit der Ultracam-Kamera am New Technology Telescope der Europäischen Südsternwarte. Außerdem fanden sie Röntgenstrahlen von PSR J1803-6707 in Daten von eRositas erster allgemeiner Untersuchung. Die Röntgenstrahlen stammen wahrscheinlich von dem energiereichen Pulsarwind, der auf das vom Begleiter verdampfte Material trifft. Es ist typisch für Redback-Systeme.

Pulsare verstecken sich im Katalog

Es ist schwierig, die Anzahl unentdeckter Pulsare abzuschätzen, die sich hinter nicht identifizierten pulsarähnlichen Fermiquellen verstecken. Die Astronomen sind jedoch zuversichtlich, dass bei zukünftigen Beobachtungen noch Pulsare von mehreren Millisekunden nachgewiesen werden können. Die Liste der genauer zu beobachtenden Objekte enthält bereits Kandidaten, die sehr wahrscheinlich Pulsare sind. Gepulste Radiowellen oder Gammastrahlen haben sie in mehreren Vermessungen bisher jedoch nicht gezeigt. Neue Teleskope, Analysemethoden und wiederholte Beobachtungsversuche könnten eines Tages beweisen, dass es sich tatsächlich um Pulsare handelt. Da die Beobachtungszeit von Fermi weiter zunimmt, wird der Quellenkatalog wachsen und mehr pulsarähnliche Quellen werden entstehen und zu potenziellen Zielen werden.

„Unsere Ergebnisse, die nur die ersten der Pass-Through-Erhebung von Fermi-Quellen sind, zeigen bereits das große Potenzial von MeerKAT. Mit MeerKAT und spezieller Software können wir neue Millisekundenpulsare nicht nur entdecken, sondern auch schnell und präzise lokalisieren“, sagt Clark. „Die MeerKAT-Beobachtungen sind eine große Hilfe für Multi-Wellenlängen-Tracking, Katalogsuche und zukünftige Beobachtungen – mit anderen Worten, sie machen Millisekundenpulsare zu einem Geschenk, das immer weitergibt.“

Source

Leave a Reply

Your email address will not be published.

In Verbindung stehende Artikel

Back to top button