Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica (Albert Einstein Instituut; AEI) in Hannover heeft ontdekt dat de radiopulsar J0952-0607 ook gepulseerde gammastraling uitzendt. J0952-0607 draait 707 keer in één seconde en staat op de tweede plaats in de lijst van snel roterende neutronensterren. Door ongeveer 8,5 jaar aan gegevens van NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope te analyseren, LOFAR-radiowaarnemingen van de afgelopen twee jaar, waarnemingen van twee grote optische telescopen, en zwaartekrachtsgolfgegevens van de LIGO-detectoren, het team gebruikte een multi-messenger-aanpak om het binaire systeem van de pulsar en zijn lichtgewicht metgezel in detail te bestuderen. Hun studie gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift laat zien dat extreme pulsarsystemen zich in de Fermi-catalogi verbergen en motiveert verder zoeken. Ondanks dat het zeer uitgebreid is, de analyse roept ook nieuwe onbeantwoorde vragen op over dit systeem.

Pulsars zijn de compacte overblijfselen van stellaire explosies die sterke magnetische velden hebben en snel roteren. Ze zenden straling uit als een kosmische vuurtoren en kunnen waarneembaar zijn als radiopulsars en/of gammastraalpulsars, afhankelijk van hun oriëntatie op de aarde.

De snelste pulsar buiten bolvormige sterrenhopen

PSR J0952-0607 (de naam geeft de positie aan de hemel aan) werd voor het eerst ontdekt in 2017 door radiowaarnemingen van een bron die door de Fermi Gamma-ray Space Telescope werd geïdentificeerd als mogelijk een pulsar. Er waren geen pulsaties van de gammastralen in gegevens van de Large Area Telescope (LAT) aan boord van Fermi gedetecteerd. Waarnemingen met de radiotelescooparray LOFAR identificeerden een pulserende radiobron en lieten - samen met optische telescoopwaarnemingen - toe om enkele eigenschappen van de pulsar te meten. Hij draait in 6,2 uur om het gemeenschappelijke zwaartepunt met een begeleidende ster die slechts een vijftigste van onze zon weegt. De pulsar roteert 707 keer in een enkele seconde en is daarom de snelste ronddraaiende in onze Melkweg buiten de dichte stellaire omgevingen van bolvormige sterrenhopen.

Zoeken naar extreem zwakke signalen

Met behulp van deze eerdere informatie over het binaire pulsarsysteem, Lars Nieder, een doctoraat student aan de AEI Hannover, gingen op pad om te zien of de pulsar ook gepulseerde gammastraling uitzond. "Deze zoektocht is buitengewoon uitdagend omdat de Fermi-gammastraaltelescoop slechts het equivalent van ongeveer 200 gammastralen van de zwakke pulsar registreerde gedurende de 8,5 jaar waarnemingen. Gedurende deze tijd is de pulsar zelf 220 miljard keer rondgedraaid. Met andere woorden, slechts één keer in elke miljard rotaties werd een gammastraal waargenomen!" legt Nieder uit. "Voor elk van deze gammastralen, de zoekopdracht moet precies identificeren wanneer tijdens elk van de 1,4 milliseconde rotaties het werd uitgezonden."

Dit vereist het doorkammen van de gegevens met een zeer fijne resolutie om geen mogelijke signalen te missen. De benodigde rekenkracht is enorm. De zeer gevoelige zoektocht naar zwakke pulsaties van gammastraling zou 24 jaar in beslag hebben genomen op een enkele computerkern. Door gebruik te maken van het Atlas-computercluster op de AEI Hannover was het in slechts 2 dagen klaar.

Een vreemde eerste ontdekking

"Onze zoektocht vond een signaal, maar er klopte iets niet! Het signaal was erg zwak en niet helemaal waar het moest zijn. De reden:onze detectie van gammastralen van J0952-0607 had een positiefout aan het licht gebracht in de eerste optische telescoopwaarnemingen die we gebruikten om onze analyse te richten. Onze ontdekking van de gammastraling pulsaties onthulde deze fout, " legt Nieder uit. "Deze fout werd gecorrigeerd in de publicatie over de ontdekking van de radiopulsar. Een nieuwe en uitgebreide zoektocht naar gammastraling maakte een nogal zwakke, maar statistisch significante ontdekking van gammastralingpulsars op de gecorrigeerde positie."

Na het bestaan ​​van gepulseerde gammastraling van de pulsar te hebben ontdekt en bevestigd, het team ging terug naar de Fermi-gegevens en gebruikte de volledige 8,5 jaar van augustus 2008 tot januari 2017 om de fysieke parameters van de pulsar en zijn binaire systeem te bepalen. Omdat de gammastraling van J0952-0607 zo zwak was, ze moesten hun eerder ontwikkelde analysemethode verbeteren om alle onbekenden correct op te nemen.

Nog een verrassing:vóór juli 2011 geen pulsaties van gammastraling

De afgeleide oplossing bevatte nog een verrassing, omdat het onmogelijk was om gammastraling van de pulsar te detecteren in de gegevens van voor juli 2011. De reden waarom de pulsar pas na die datum pulsaties lijkt te vertonen, is niet bekend. Variaties in de hoeveelheid gammastraling die het uitzendt, kan een reden zijn, maar de pulsar is zo zwak dat het niet mogelijk was om deze hypothese met voldoende nauwkeurigheid te testen. Veranderingen in de baan van de pulsar die in vergelijkbare systemen worden gezien, kunnen ook een verklaring bieden, maar er was niet eens een hint in de gegevens dat dit gebeurde.

Optische waarnemingen roepen nieuwe vragen op

Het team gebruikte ook waarnemingen met de ESO's New Technology Telescope op La Silla en de Gran Telescopio Canarias op La Palma om de begeleidende ster van de pulsar te onderzoeken. Het is hoogstwaarschijnlijk getijde vergrendeld aan de pulsar zoals de maan aan de aarde, zodat de ene kant altijd naar de pulsar is gericht en wordt opgewarmd door zijn straling. Terwijl de begeleider om het zwaartepunt van het binaire systeem draait, zijn de hete "dag"-kant en koelere "nacht"-kant zichtbaar vanaf de aarde en de waargenomen helderheid en kleur variëren.

Deze observaties creëren een ander raadsel. Terwijl de radiowaarnemingen wijzen op een afstand van ongeveer 4, 400 lichtjaar naar de pulsar, de optische waarnemingen impliceren een afstand die ongeveer drie keer groter is. Als het systeem relatief dicht bij de aarde was, het zou een nooit eerder vertoonde extreem compacte metgezel met hoge dichtheid bevatten, terwijl grotere afstanden compatibel zijn met de dichtheden van bekende soortgelijke pulsar-metgezellen. Een verklaring voor deze discrepantie zou het bestaan ​​van schokgolven in de wind van deeltjes van de pulsar kunnen zijn, wat kan leiden tot een andere verwarming van de begeleider. Meer gammastralingswaarnemingen met Fermi LAT-waarnemingen zouden deze vraag moeten helpen beantwoorden.

Zoeken naar continue zwaartekrachtsgolven

Een andere groep onderzoekers van de AEI Hannover zocht naar continue zwaartekrachtgolfemissie van de pulsar met behulp van LIGO-gegevens van de eerste (O1) en tweede (O2) waarnemingsrun. Pulsars kunnen zwaartekrachtgolven uitzenden wanneer ze kleine heuvels of hobbels hebben. De zoektocht heeft geen zwaartekrachtgolven gedetecteerd, wat betekent dat de vorm van de pulsar heel dicht bij een perfecte bol moet liggen met de hoogste hobbels van minder dan een fractie van een millimeter.

Snel roterende neutronensterren

Het begrijpen van snel draaiende pulsars is belangrijk omdat het sondes van extreme fysica zijn. Hoe snel neutronensterren kunnen draaien voordat ze uiteenvallen door middelpuntvliedende krachten is onbekend en hangt af van onbekende kernfysica. Milliseconde pulsars zoals J0952-0607 roteren zo snel omdat ze zijn rondgedraaid door materie van hun metgezel te verzamelen. Men denkt dat dit proces het magnetische veld van de pulsar begraaft. Met de langdurige gammastralingswaarnemingen, het onderzoeksteam toonde aan dat J0952-0607 een van de tien laagste magnetische velden heeft die ooit voor een pulsar zijn gemeten, overeenstemming met de verwachtingen uit de theorie.

"We zullen dit systeem blijven bestuderen met gammastraling, radio, en optische observatoria, aangezien er nog steeds onbeantwoorde vragen over zijn. Deze ontdekking toont ook eens te meer aan dat extreme pulsarsystemen zich verbergen in de Fermi LAT-catalogus, " zegt prof. Bruce Allen, Nieder's Ph.D. supervisor en directeur bij de AEI Hannover. "We gebruiken ook ons ​​burgerwetenschap-distributed computing-project Einstein@Home om te zoeken naar binaire gammastraling-pulsarsystemen in andere Fermi LAT-bronnen en zijn ervan overtuigd dat we in de toekomst nog meer opwindende ontdekkingen zullen doen."