Een analyse die op een enkele computer meer dan duizend jaar zou hebben geduurd, heeft binnen een jaar meer dan een dozijn nieuwe snel roterende neutronensterren gevonden in gegevens van de Fermi-gammastraling-ruimtetelescoop. Met rekenkracht geschonken door vrijwilligers van over de hele wereld, heeft een internationaal team onder leiding van onderzoekers van het Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hannover, Duitsland, zocht naar verklikkerperiodiciteiten in 118 Fermi-bronnen van onbekende aard. In 13 ontdekten ze een roterende neutronenster in het hart van de bron. Hoewel deze allemaal – astronomisch gesproken – jong zijn met leeftijden tussen tien- en honderdduizenden jaren, twee draaien verrassend langzaam - langzamer dan elke andere bekende gammastraalpulsar. Een andere ontdekking ondervond een "glitch", een plotselinge verandering van onbekende oorsprong in de overigens regelmatige rotatie.

"We hebben zoveel nieuwe pulsars ontdekt om drie belangrijke redenen:de enorme rekenkracht van Einstein@Home; onze uitvinding van nieuwe en efficiëntere zoekmethoden; en het gebruik van onlangs verbeterde Fermi-LAT-gegevens. Deze samen zorgden voor een ongekende gevoeligheid voor ons grote overzicht van meer dan 100 Fermi-catalogusbronnen, " zegt dr. Colin Clark, hoofdauteur van het artikel dat nu is gepubliceerd in The Astrofysisch tijdschrift .

Neutronensterren zijn compacte overblijfselen van supernova-explosies en bestaan ​​uit exotische, extreem dichte materie. Ze zijn ongeveer 20 kilometer in doorsnee en wegen maar liefst een half miljoen aardes. Vanwege hun sterke magnetische velden en snelle rotatie zenden ze gebundelde radiogolven en energetische gammastralen uit, vergelijkbaar met een kosmische vuurtoren. Als deze stralen één of twee keer per omwenteling naar de aarde wijzen, de neutronenster wordt zichtbaar als een pulserende radio- of gammastralingsbron – een zogenaamde pulsar.

"Blind" detecteren van gammastraalpulsars

Het vinden van deze periodieke pulsaties van gammastraalpulsars is erg moeilijk. Gemiddeld worden slechts 10 fotonen per dag gedetecteerd van een typische pulsar door de Large Area Telescope (LAT) aan boord van het Fermi-ruimtevaartuig. Om periodiciteiten te detecteren, jaren aan gegevens moeten worden geanalyseerd, waarin de pulsar miljarden keren zou kunnen roteren. Voor elk foton moet men precies bepalen wanneer het tijdens een enkele omwenteling van een fractie van een seconde werd uitgezonden. Dit vereist het zoeken over jaren lange datasets met een zeer fijne resolutie om geen signaal te missen. De rekenkracht die nodig is voor deze "blinde zoekopdrachten" - wanneer vooraf weinig tot geen informatie over de pulsar bekend is - is enorm.

Eerdere soortgelijke blinde zoekopdrachten hebben 37 gammastraalpulsars gedetecteerd in Fermi-LAT-gegevens. Alle ontdekkingen van blinde zoekacties in de afgelopen 4 jaar zijn gedaan door Einstein@Home, die in totaal 21 gammastraalpulsars heeft gevonden bij blinde zoekopdrachten, meer dan een derde van al dergelijke objecten ontdekt door middel van blinde zoekopdrachten.

Computerhulpmiddel Einstein@Home

De hulp inroepen van tienduizenden vrijwilligers van over de hele wereld die inactieve rekencycli doneren op hun tienduizenden computers thuis, het team kon een grootschalig onderzoek uitvoeren met het gedistribueerde computerproject Einstein@Home. In totaal vereiste deze zoekopdracht ongeveer 10, 000 jaar CPU-kerntijd. Het zou meer dan duizend jaar hebben geduurd op een enkele huishoudelijke computer. Op Einstein@Home was het binnen een jaar klaar – ook al gebruikte het maar een deel van de middelen van het project.

The scientists selected their targets from 1000 unidentified sources in the Fermi-LAT Third Source Catalog by their gamma-ray energy distribution as the most "pulsar-like" objects. For each of the 118 selected sources, they used novel, highly efficient methods to analyze the detected gamma-ray photons for hidden periodicities.

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 Astrofysisch tijdschrift 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."