Einstein@Home afslører den sande identitet af den mystiske gammastrålekilde

Et internationalt forskerhold med medlemmer fra Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) i Hannover har vist, at en hurtigt roterende neutronstjerne er kernen i et himmellegeme, der nu er kendt som PSR J2039−5617. De brugte nye dataanalysemetoder og den enorme computerkraft i borgervidenskabsprojektet Einstein@Home til at spore neutronstjernens svage gammastrålepulseringer i data fra NASAs Fermi-rumteleskop. Deres resultater viser, at pulsaren er i kredsløb med en stjerneledsager omkring en sjettedel af vores sols masse. Pulsaren fordamper langsomt, men sikkert denne stjerne. Holdet fandt også ud af, at ledsagerens kredsløb varierer lidt og uforudsigeligt over tid. Ved at bruge deres søgemetode, de forventer at finde flere sådanne systemer med Einstein@Home i fremtiden.

"Man har i årevis haft mistanke om, at der er en pulsar, en hurtigt roterende neutronstjerne, i hjertet af den kilde, vi nu kender som PSR J2039−5617, siger Lars Nieder, en ph.d. studerende ved Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) i Hannover og medforfatter til undersøgelsen offentliggjort i dag i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society . "Men det var kun muligt at løfte sløret og opdage gammastrålepulseringerne med den computerkraft, som titusindvis af frivillige donerede til Einstein@Home, " tilføjer han.

Det himmelske objekt har været kendt siden 2014 som en kilde til røntgenstråler, gammastråler, og lys. Alle beviser, der er opnået indtil videre, pegede på en hurtigt roterende neutronstjerne i kredsløb med en letvægtsstjerne i hjertet af kilden. Men der manglede klare beviser.

Præcisionsobservationer med optiske teleskoper

Det første skridt til at løse denne gåde var nye observationer af stjernekammeraten med optiske teleskoper. De gav præcis viden om det binære system, uden hvilket en gammastrålepulsarsøgning (selv med Einstein@Homes enorme computerkraft) ville være umulig.

Systemets lysstyrke varierer i løbet af en omløbsperiode afhængigt af, hvilken side af neutronstjernens ledsager, der vender mod Jorden. "For J2039-5617, der er to hovedprocesser på arbejde, " forklarer Dr. Colin Clark fra Jodrell Bank Center for Astrophysics, hovedforfatter på undersøgelsen og tidligere ph.d. studerende ved AEI Hannover. "Pulsaren opvarmer den ene side af den lette ledsager, som fremstår lysere og mere blåligt. Derudover ledsageren er forvrænget af pulsarens tyngdekraft, hvilket får den tilsyneladende størrelse af stjernen til at variere over kredsløbet." Disse observationer gjorde det muligt for holdet at få den mest præcise måling muligt af den dobbelte stjernes 5,5-timers omløbsperiode, samt andre egenskaber ved systemet.

Søger med hjælp fra titusindvis af frivillige

Med denne information og den præcise himmelposition fra Gaia-data, holdet brugte den aggregerede computerkraft fra det distribuerede frivillige computerprojekt Einstein@Home til en ny søgning af omkring 11 års arkivobservationer af NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope. Forbedring af tidligere metoder, de havde udviklet til dette formål, de fik hjælp fra titusindvis af frivillige til at søge efter Fermi-data for periodiske pulseringer i gammastrålefotoner registreret af Large Area Telescope ombord på rumteleskopet. De frivillige donerede inaktive computercyklusser på deres computeres CPU'er og GPU'er til Einstein@Home.

Denne søgning krævede en finkæmning af dataene for ikke at gå glip af eventuelle signaler. Den nødvendige computerkraft er enorm. Søgningen ville have taget 500 år at gennemføre på en enkelt computerkerne. Ved at bruge en del af Einstein@Home-ressourcerne blev det gjort på 2 måneder.

Med computerkraften doneret af Einstein@Home-frivillige, holdet opdagede gammastrålepulseringer fra den hurtigt roterende neutronstjerne. Denne gammastrålepulsar, nu kendt som J2039−5617, roterer omkring 377 gange hvert sekund.

Overraskende ændringer i kredsløbet

"Vi fandt ud af, at ledsagerens omløbsperiode varierer lidt og uforudsigeligt over de 11 år. Den ændrer sig kun med op til omkring ti millisekunder, men da vi kender ankomsttiden for hver enkelt gammafoton fra pulsaren til mikrosekunders præcision, selv dette lille er meget!" siger Nieder. Disse variationer af omløbsperioden kan være forbundet med små ændringer i ledsagerens form forårsaget af dens magnetiske aktivitet. Ligesom vores sol kan ledsageren gennemgå aktivitetscyklusser. De skiftende magnetfeltet interagerer med plasmaet inde i stjernen og deformerer det. Efterhånden som stjernens form varierer, ændres dens gravitationsfelt også, hvilket igen påvirker pulsarbanen. Dette kunne forklare de observerede variationer i omløbsperiode.

"Ederkoppeagtige" pulsarer spiser deres kammerater

Mens den lette stjernekammerat kredser om pulsaren, den stærke stråling og partikelvinden fra pulsaren fordamper ledsageren. "Dette er grunden til, at astronomer kalder systemer som denne 'redbacks' med henvisning til de australske redback-edderkopper, hvis hunner spiser hannerne efter parring, " forklarer Nieder. I tilfældet med J2039−5617 danner stoffet fjernet fra stjernen skyer af ladede partikler i det binære system, der absorberer radiobølger. Dette er en af ​​grundene til, at tidligere søgninger efter pulserende radioemission fra neutronstjernen mislykkedes. Med den præcise bestemmelse af kredsløbet ud fra gammastråledataene, det var også muligt at detektere radiopulseringer, og dette vil blive offentliggjort i et separat papir.

"Vi kender snesevis af lignende gammastrålekilder fundet af Fermi Space Telescope, hvor den sande identitet stadig er uklar, " siger prof. dr. Bruce Allen, direktør ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Hannover og direktør og grundlægger af Einstein@Home. "Mange kan være pulsarer skjult i binære systemer, og vi vil fortsætte med at jage efter dem med Einstein@Home, " tilføjer han.