Distribueret computerprojekt Einstein@Home opdager 13 nye gammastrålepulsarer

En analyse, der ville have taget mere end tusind år på en enkelt computer, har inden for et år fundet mere end et dusin nye hurtigt roterende neutronstjerner i data fra Fermi gamma-ray rumteleskop. Med computerkraft doneret af frivillige fra hele verden, et internationalt hold ledet af forskere ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Hannover, Tyskland, søgte efter afslørende periodiciteter i 118 Fermi-kilder af ukendt natur. I 13 opdagede de en roterende neutronstjerne i hjertet af kilden. Mens disse alle - astronomisk set - er unge med alderen mellem titusinder og hundredtusinder af år, to roterer overraskende langsomt – langsommere end nogen anden kendt gammastrålepulsar. En anden opdagelse oplevede en "fejl", en pludselig ændring af ukendt oprindelse i dens ellers regelmæssige rotation.

"Vi opdagede så mange nye pulsarer af tre hovedårsager:den enorme computerkraft leveret af Einstein@Home; vores opfindelse af nye og mere effektive søgemetoder; og brugen af ​​nyligt forbedrede Fermi-LAT-data. Disse tilsammen gav hidtil uset følsomhed for vores store undersøgelse af mere end 100 Fermi-katalogkilder, " siger Dr. Colin Clark, hovedforfatter af papiret nu udgivet i The Astrofysisk tidsskrift .

Neutronstjerner er kompakte rester fra supernovaeksplosioner og består af eksotiske, ekstremt tæt stof. De måler omkring 20 kilometer på tværs og vejer så meget som en halv million Jorder. På grund af deres stærke magnetfelter og hurtige rotation udsender de strålede radiobølger og energiske gammastråler, der ligner et kosmisk fyrtårn. Hvis disse stråler peger mod Jorden en eller to gange pr. rotation, neutronstjernen bliver synlig som en pulserende radio- eller gammastrålekilde – en såkaldt pulsar.

Detekterer "blindt" gammastrålepulsarer

Det er meget vanskeligt at finde disse periodiske pulseringer fra gammastrålepulsarer. I gennemsnit registreres kun 10 fotoner om dagen fra en typisk pulsar af Large Area Telescope (LAT) ombord på Fermi-rumfartøjet. For at opdage periodiciteter, års data skal analyseres, hvorunder pulsaren kan rotere milliarder af gange. For hver foton skal man bestemme nøjagtigt, hvornår den blev udsendt under en enkelt splitsekund-rotation. Dette kræver søgning over årelange datasæt med meget fin opløsning for ikke at gå glip af et signal. Den computerkraft, der kræves til disse "blinde søgninger" - når kun lidt eller ingen information om pulsaren er kendt på forhånd - er enorm.

Tidligere lignende blinde søgninger har fundet 37 gammastrålepulsarer i Fermi-LAT-data. Alle blinde søgeopdagelser i de sidste 4 år er gjort af Einstein@Home, som har fundet i alt 21 gammastrålepulsarer i blinde søgninger, mere end en tredjedel af alle sådanne genstande opdaget gennem blinde søgninger.

Computerressource Einstein@Home

Ved at få hjælp fra titusindvis af frivillige fra hele verden, der donerer inaktive computercyklusser på deres titusindvis af computere derhjemme, holdet var i stand til at gennemføre en storstilet undersøgelse med det distribuerede computerprojekt Einstein@Home. I alt krævede denne søgning omkring 10, 000 års CPU-kernetid. Det ville have taget mere end tusind år på en enkelt husstandscomputer. På Einstein@Home blev det færdigt inden for et år – selvom det kun brugte en del af projektets ressourcer.

Forskerne udvalgte deres mål fra 1000 uidentificerede kilder i Fermi-LAT Third Source Catalog ud fra deres gammastråleenergifordeling som de mest "pulsarlignende" objekter. For hver af de 118 udvalgte kilder, de brugte roman, højeffektive metoder til at analysere de detekterede gammastrålefotoner for skjulte periodiciteter.

One dozen and one new neutron star

"So far we've identified 17 new pulsars among the 118 gamma-ray sources we searched with Einstein@Home. The latest publication in The Astrofysisk tidsskrift presents 13 of these discoveries, " says Clark. "We knew that there had to be several unidentified pulsars in the Fermi data, but it's always very exciting to actually detect one of them and at the same time it's very satisfying to understand what its properties are." About half of the discoveries would have been missed in previous Einstein@Home surveys, but the novel improved methods made the difference.

Most of the discoveries were what the scientists expected:gamma-ray pulsars that are relatively young and were born in supernovae some tens to hundreds of thousands of years ago. Two of them however spin slower than any other gamma-ray pulsar known. Slow-spinning young pulsars on average emit less gamma-rays than faster-spinning ones. Finding these fainter objects is therefore useful to explore the entire gamma-ray pulsar population. Another newly discovered pulsar experienced a strong "glitch", a sudden speedup of unknown origin in its otherwise regular rotation. Glitches are observed in other young pulsars and might be related to re-arrangements of the neutron star interior but are not well understood.

Searching for gamma-ray pulsars in binary systems

"Einstein@Home searched through 118 unidentified pulsar-like sources from the Fermi-LAT Catalog, " says Prof. Dr. Bruce Allen, director of Einstein@Home and director at the Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hanover. "Colin has shown that 17 of these are indeed pulsars, and I would bet that many of the remaining 101 are also pulsars, but in binary systems, where we lack sensitivity. In the future, using improved methods, Einstein@Home is going to chase after those as well, and I am optimistic that we will find at least some of them."