Pulserende gammastråler fra neutronstjerne, der roterer 707 gange i sekundet

Et internationalt forskerhold ledet af Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) i Hannover har opdaget, at radiopulsaren J0952-0607 også udsender pulserende gammastråling. J0952-0607 spinder 707 gange på et sekund og er nummer to på listen over hurtigt roterende neutronstjerner. Ved at analysere omkring 8,5 års data fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope, LOFAR radioobservationer fra de seneste to år, observationer fra to store optiske teleskoper, og gravitationsbølgedata fra LIGO-detektorerne, holdet brugte en multi-messenger-tilgang til at studere pulsarens binære system og dens lette følgesvend i detaljer. Deres undersøgelse offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift viser, at ekstreme pulsarsystemer gemmer sig i Fermi-katalogerne og motiverer til yderligere søgninger. Selvom det er meget omfattende, analysen rejser også nye ubesvarede spørgsmål om dette system.

Pulsarer er de kompakte rester af stjerneeksplosioner, som har stærke magnetiske felter og roterer hurtigt. De udsender stråling som et kosmisk fyrtårn og kan observeres som radiopulsarer og/eller gammastrålepulsarer afhængigt af deres orientering mod Jorden.

Den hurtigste pulsar uden for kuglehobe

PSR J0952-0607 (navnet angiver positionen på himlen) blev først opdaget i 2017 af radioobservationer af en kilde identificeret af Fermi Gamma-ray Space Telescope som muligvis en pulsar. Ingen pulseringer af gammastrålerne i data fra Large Area Telescope (LAT) ombord på Fermi var blevet opdaget. Observationer med radioteleskoparrayet LOFAR identificerede en pulserende radiokilde og gav - sammen med optiske teleskopobservationer - lov til at måle nogle egenskaber ved pulsaren. Den kredser om det fælles massecenter på 6,2 timer med en ledsagerstjerne, der kun vejer en halvtredsindstyvendedel af vores sol. Pulsaren roterer 707 gange på et enkelt sekund og er derfor den hurtigste roterende i vores galakse uden for de tætte stjernemiljøer af kuglehobe.

Søger efter ekstremt svage signaler

Ved at bruge denne tidligere information om det binære pulsarsystem, Lars Nieder, en ph.d. studerende ved AEI Hannover, ud for at se, om pulsaren også udsendte pulserende gammastråler. "Denne søgning er ekstremt udfordrende, fordi Fermi gammastråleteleskopet kun registrerede, hvad der svarer til omkring 200 gammastråler fra den svage pulsar i løbet af de 8,5 års observationer. I løbet af denne tid roterede pulsaren selv 220 milliarder gange. Med andre ord, kun én gang ud af hver milliard omdrejninger blev der observeret en gammastråle!" forklarer Nieder. "For hver af disse gammastråler, søgningen skal identificere nøjagtigt, hvornår den blev udsendt under hver af de 1,4 millisekunders rotationer."

Dette kræver kæmning gennem dataene med meget fin opløsning for ikke at gå glip af eventuelle signaler. Den nødvendige computerkraft er enorm. Den meget følsomme søgen efter svage gammastrålepulseringer ville have taget 24 år at gennemføre på en enkelt computerkerne. Ved at bruge Atlas computerklyngen på AEI Hannover blev det færdigt på kun 2 dage.

En mærkelig første opdagelse

"Vores søgning fandt et signal, men noget var galt! Signalet var meget svagt og ikke helt hvor det skulle være. Årsagen:vores påvisning af gammastråler fra J0952-0607 havde afsløret en positionsfejl i de indledende optiske teleskopobservationer, som vi brugte til at målrette vores analyse. Vores opdagelse af gammastrålepulseringerne afslørede denne fejl, " forklarer Nieder. "Denne fejl blev rettet i publikationen, der rapporterede om opdagelsen af ​​radiopulsar. En ny og udvidet gammastrålesøgning gjorde en ret svag - men statistisk signifikant - gammastrålepulsaropdagelse i den korrigerede position."

Efter at have opdaget og bekræftet eksistensen af ​​pulserende gammastråling fra pulsaren, holdet gik tilbage til Fermi-dataene og brugte hele 8,5 år fra august 2008 til januar 2017 til at bestemme fysiske parametre for pulsaren og dens binære system. Da gammastrålingen fra J0952-0607 var så svag, de var nødt til at forbedre deres tidligere udviklede analysemetode for korrekt at inkludere alle ukendte.

En anden overraskelse:ingen gammastrålepulseringer før juli 2011

Den afledte løsning indeholdt en anden overraskelse, fordi det var umuligt at detektere gammastrålepulseringer fra pulsaren i data fra før juli 2011. Årsagen til, at pulsaren først ser ud til at vise pulseringer efter den dato, er ukendt. Variationer i hvor meget gammastråler den udsendte kan være en af ​​årsagerne, men pulsaren er så svag, at det ikke var muligt at teste denne hypotese med tilstrækkelig nøjagtighed. Ændringer i pulsarbanen set i lignende systemer kan også give en forklaring, men der var ikke engang en antydning i dataene om, at dette skete.

Optiske observationer rejser yderligere spørgsmål

Holdet brugte også observationer med ESO's New Technology Telescope ved La Silla og Gran Telescopio Canarias på La Palma til at undersøge pulsarens ledsagerstjerne. Den er højst sandsynligt tidevandslåst til pulsaren ligesom Månen til Jorden, så den ene side altid vender mod pulsaren og bliver varmet op af dens stråling. Mens ledsageren kredser om det binære systems massecenter, er dets varme "dag"-side og køligere "nat"-side synlige fra Jorden, og den observerede lysstyrke og farve varierer.

Disse observationer skaber endnu en gåde. Mens radioobservationerne peger på en afstand på ca. 4, 400 lysår til pulsaren, de optiske observationer antyder en afstand omkring tre gange større. Hvis systemet var relativt tæt på Jorden, den ville have en aldrig set før ekstremt kompakt medfølgende med høj tæthed, mens større afstande er kompatible med tæthederne af kendte lignende pulsar-ledsagere. En forklaring på denne uoverensstemmelse kan være eksistensen af ​​chokbølger i vinden af ​​partikler fra pulsaren, hvilket kan føre til en anderledes opvarmning af ledsageren. Flere gammastråleobservationer med Fermi LAT-observationer skulle hjælpe med at besvare dette spørgsmål.

Søger efter kontinuerlige gravitationsbølger

En anden gruppe forskere ved AEI Hannover søgte efter kontinuerlig gravitationsbølgeemission fra pulsaren ved hjælp af LIGO-data fra den første (O1) og anden (O2) observationskørsel. Pulsarer kan udsende gravitationsbølger, når de har små bakker eller bump. Eftersøgningen opdagede ingen gravitationsbølger, hvilket betyder, at pulsarens form skal være meget tæt på en perfekt kugle med de højeste bump mindre end en brøkdel af en millimeter.

Hurtigt roterende neutronstjerner

Det er vigtigt at forstå hurtigt roterende pulsarer, fordi de er sonder af ekstrem fysik. Hvor hurtigt neutronstjerner kan spinde, før de går i stykker fra centrifugalkræfter, er ukendt og afhænger af ukendt kernefysik. Millisekunders pulsarer som J0952-0607 roterer så hurtigt, fordi de er blevet spundet op ved at samle stof fra deres ledsager. Denne proces menes at begrave pulsarens magnetfelt. Med de langsigtede gammastråleobservationer, forskerholdet viste, at J0952-0607 har et af de ti laveste magnetfelter, der nogensinde er målt for en pulsar, i overensstemmelse med teoriens forventninger.

"Vi vil fortsætte med at studere dette system med gammastråler, radio, og optiske observatorier, da der stadig er ubesvarede spørgsmål om det. Denne opdagelse viser også endnu en gang, at ekstreme pulsarsystemer gemmer sig i Fermi LAT-kataloget, " siger prof. Bruce Allen, Nieders ph.d. supervisor og direktør ved AEI Hannover. "Vi bruger også vores borgervidenskab distribuerede computerprojekt Einstein@Home til at lede efter binære gammastrålepulsarsystemer i andre Fermi LAT-kilder og er sikre på at gøre mere spændende opdagelser i fremtiden."