Neun neue und exotische Geschöpfe für den Pulsar-Zoo

Neun Millisekunden-Pulsare, die meisten in seltenen und teils ungewöhnlichen Doppelsystemen: Das sind erste Ergebnisse einer gezielten Durchmusterung mit dem MeerKAT-Teleskop in Südafrika.

Ein internationales Team mit maßgeblicher Beteiligung von AEI (Hannover) und MPIfR (Bonn) wählte 79 unidentifizierte pulsar-ähnliche Quellen aus Daten von Fermi (NASA) aus und beobachtete sie mit MeerKAT im Radiobereich. Das hat deutliche Vorteile gegenüber früheren Durchmusterungen. Das Team entdeckte neun schnell rotierende Neutronensterne, die meisten mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Bei zwei dieser Objekte wurden Gammapulse, optische Gegenstücke und bei einem System auch Röntgenstrahlung entdeckt.

„Für unsere TRAPUM-Durchmusterung haben wir mit MeerKAT, einem relativ neuen und äußerst empfindlichen Radioteleskop, zusammen mit einer speziellen Analysesoftware eine Auswahl vielversprechender pulsar-ähnlicher Quellen beobachtet“, sagt Colin Clark, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Erstautor der Studie. „Die Belohnung für unsere Mühen ist etwas, auf das wir stolz sein können: Wir haben neun neue Millisekunden-Pulsare entdeckt, von denen einige recht ungewöhnlich sind.“

Das Team verwendete einen bewährten Ansatz, um neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken: Der Katalog des Fermi Large Area Telescope verzeichnet Gammastrahlenquellen, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA in acht Jahren Beobachtungszeit entdeckte. Dieser Katalog enthält Informationen über die Himmelspositionen der Quellen, die Energieverteilung ihrer Gammastrahlung und die zeitlichen Veränderungen ihrer Gammastrahlenhelligkeit. „Wir haben mit Methoden des maschinellen Lernens für alle Quellen im Fermi-Katalog, die nicht mit bekannten Himmelsobjekten assoziiert sind, die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass sie Pulsare sind“, erklärt Clark. „So identifizierten wir die pulsar-ähnlichsten Quellen im Fermi-Katalog. Danach reduzierten wir unsere Liste auf diejenigen Quellen, die mit unserer Durchmusterung am ehesten nachweisbar sein würden. Wir haben dann 79 Quellen mit MeerKAT beobachtet.“

MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit am Südhimmel

MeerKAT ist eine Anordnung von 64 Parabolantennen mit einem effektiven Durchmesser von je 13,5 Meter in der Karoo in Südafrika. MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit für Himmelsobjekte in der südlichen Hemisphäre. Es ist in der Lage, Quellen zu entdecken, die etwa fünfmal schwächer sind als diejenigen, die das zweitempfindlichste Teleskop der Südhemisphäre beobachten kann.

Das „TRansients and Pulsars using MeerKAT Large Survey Project“ (TRAPUM) 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, Supernovaüberreste und – wie in dieser Untersuchung – unidentifizierte Gammastrahlenquellen. Dies erforderte die Entwicklung spezieller Computerhardware, die die Daten der MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen großen Radioteleskop kombiniert, das fast 500 nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig beobachten kann.

Bei dieser TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen wird die zusätzliche Empfindlichkeit von MeerKAT dazu genutzt, um die Beobachtungszeit auf nur 10 Minuten zu verkürzen. Das ist wesentlich kürzer als die stundenlangen Beobachtungen, die zuvor erforderlich waren, um Pulsare in diesen Quellen zu finden.

Kurze Beobachtungen haben viele Vorteile: In begrenzter Beobachtungszeit lassen sich mehr Quellen erfassen. Sie können wiederholt beobachtet werden, was die Chance erhöht, einen neuen Radiopulsar zu entdecken, da sie bei der ersten Beobachtung nicht immer sichtbar sind. Die TRAPUM-Pulsardurchmusterung umfasste zwei Beobachtungen pro Quelle. Die Analyse kurzer Beobachtungen ist rechnerisch weniger anspruchsvoll als die von längeren. Zudem kann die Bahnbewegung in Doppelsternsystemen die Entdeckung von Radiopulsaren erschweren. Während einer kurzen Beobachtungszeit ist die Bewegung des Pulsars nahezu konstant, so dass der nachteilige Effekt einer sich ändernden Bahnbewegung verringert wird.

Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit bietet das MeerKAT-Array einen weiteren Vorteil gegenüber Radioteleskopen mit einer einzigen Parabolantenne. MeerKAT kann die Himmelsposition neuer Quellen mit sehr hoher Präzision bestimmen, weil die Einzelantennen bis zu 8 Kilometer voneinander entfernt sind. Das ermöglicht schnelle Folgeuntersuchungen bei anderen Wellenlängen.

Neun neue Millisekunden-Pulsare

Die Suche nach Pulsaren in den großen Datenmengen, die während der TRAPUM-Beobachtungen entstehen, erfordert viel Rechenleistung und eine schnelle Verarbeitung, um Speicherplatz für weitere Beobachtungen freizugeben.

„Wir haben speziell entwickelte Datenanalyse-Methoden verwendet, die auf 120 Grafikprozessoren (GPUs) in einem speziellen Computer-Cluster laufen, um unsere MeerKAT-Beobachtungen zu sichten. Wir haben schnell neun Kandidaten für Millisekunden-Pulsare gefunden, die wir alle durch zusätzliche MeerKAT-Beobachtungen bestätigen konnten“, sagt Ewan Barr, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und TRAPUM-Projektwissenschaftler. „Es ist großartig, dass wir diese Bestätigungsbeobachtungen auch dazu nutzen konnten, die Himmelspositionen zu verfeinern, da MeerKAT in der Lage ist, viele nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig zu beobachten. Das ist von unschätzbarem Wert für Folgeuntersuchungen bei verschiedenen Wellenlängen.“

Ein enges Doppelsternsystem aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg

Eine der Entdeckungen, PSR J1526-2744, wurde anschließend genau untersucht. Nach der Entdeckung dieses Radiopulsars in einem Doppelsternsystem spürten die Forschenden auch die Gammastrahlenpulsationen des Neutronensterns auf. Mit Hilfe aller verfügbaren Fermi-Daten konnten sie die Bahnbewegung genau untersuchen und die Eigenschaften des Doppelsternsystems bestimmen. Höchstwahrscheinlich umkreist der Neutronenstern das gemeinsame Massenzentrum mit einem leichten Weißen Zwerg in etwas weniger als fünf Stunden. Dies wäre die zweitkürzeste bekannte Umlaufzeit eines solchen Doppelsystems.

Das Team suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von PSR J1526-2744. Wäre der Neutronenstern verformt, so würde er Gravitationswellen mit der doppelten Rotationsfrequenz aussenden. Die Forschenden nutzten alle öffentlich verfügbaren Advanced-LIGO-Daten aus den Beobachtungsläufen O1, O2 und O3. Da sie die Bewegung des Pulsars im Doppelsternsystem aufgrund der Gammastrahlenbeobachtungen genau kannten, erreichte das Forscherteam die höchstmögliche Empfindlichkeit für die Suche nach Gravitationswellen.
Gravitationswellen

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

Zwei weitere Pulsare, PSR J1036-4353 und PSR J1803-6707, sind typische „Redback“-Pulsarsysteme, die aus Neutronensternen mit Begleitsternen von mindestens einem Viertel der Masse unserer Sonne bestehen. Diese Pulsare verdampfen und zerstören ihre Begleiter im Laufe der Zeit, ähnlich den namensgebenden australischen Rotrückenspinnen, deren Weibchen die Männchen nach der Paarung auffressen.

Nach der schnellen und präzisen Bestimmung der Pulsarpositionen mit den einzigartigen Fähigkeiten von MeerKAT wurden die Pulsarbegleiter im Sternkatalog der Astrometrie-Mission Gaia identifiziert und im optischen Spektrum mit der ULTRACAM-Kamera am New Technology Telescope der ESO untersucht. Darüber hinaus fand man Röntgenstrahlung von PSR J1803-6707 in Daten der ersten eROSITA-Gesamtdurchmusterung. Die Röntgenstrahlung stammt wahrscheinlich von dem energiereichen Pulsarwind, der auf das vom Begleiter verdampfte Material trifft. Sie ist typisch für Redback-Systeme.

Pulsare, die sich im Katalog verstecken

Es ist schwierig, die Anzahl der noch unentdeckten Pulsare abzuschätzen, die sich hinter nicht identifizierten pulsar-ähnlichen Fermi-Quellen verstecken. Dennoch sind die Fachleute sicher, dass zukünftige Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare aufspüren können. In der Zielliste gibt es weitere Kandidaten, die sehr wahrscheinlich Pulsare sind. Allerdings zeigten sie auch in mehreren Durchmusterungen bisher keine pulsierenden Radiowellen oder Gammastrahlen. Neue Teleskope, Analysemethoden und wiederholte Beobachtungsversuche könnten eines Tages beweisen, dass sie Pulsare sind. Mit weiterhin zunehmender Beobachtungszeit von Fermi wird der Quellenkatalog wachsen und weitere pulsar-ähnliche Quellen werden auftauchen und zu potenziellen Zielen werden.

„Unsere Ergebnisse, die nur die ersten der TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen sind, zeigen bereits das große Potenzial von MeerKAT. Mit MeerKAT und einer speziellen Software sind wir nicht nur in der Lage, neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken, sondern auch schnell und präzise zu lokalisieren“, sagt Clark. „Die MeerKAT-Beobachtungen sind eine große Hilfe bei der Nachverfolgung bei mehreren Wellenlängen, bei der Suche in Katalogen und bei zukünftigen Beobachtungen – mit anderen Worten: sie machen Millisekunden-Pulsare zu einem Geschenk, das immer weiter beschenkt.“

Hintergrundinformation

Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskop ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten für das SKA-Observatorium mit Sitz in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop-Netzwerk wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zu „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskopnetzwerk für eine mittleren Frequenzbereich integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ könnten bereits 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

TRAPUM („TRAnsients and PUlsars with MeerKAT“) ist eines der sogenannten „Large Survey Proposals“, die mit MeerKAT durchgeführt werden. Es handelt sich um eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung der Universität Manchester und des MPIfR, an der auch Einrichtungen wie INAF in Italien, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in den USA und das „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) beteiligt sind.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Ewan Barr
Gruppenleiter Elektronik, Softwareentwicklung
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-535
E-mail: ebarr@mpifr-bonn.mpg.de

Prof. Dr. Michael Kramer
Direktor und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn.
Fon: +49 228 525-299 (Sekretariat)
E-mail: mkramer@mpifr-bonn.mpg.de

Dr. Colin Clark
Forschungsgruppenleiter
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover
Fon: +49 511 762-12269
E-Mail: colin.clark@aei.mpg.de

Anjana Ashok
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover
Fon: +49 511 762-17054
E-Mail: anjana.ashok@aei.mpg.de

Originalpublikation:

The TRAPUM L-band survey for pulsars in Fermi-LAT gamma-ray sources, Colin C. Clarke et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 519, Issue 4, March 2023, Pages 5590–5606, DOI: 10.1093/mnras/stac3742

https://academic.oup.com/mnras/article/519/4/5590/6973222

Weitere Informationen:

https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2023/2
https://www.aei.mpg.de/989155/nine-new-and-exotic-creatures-for-the-pulsar-zoo