Een internationaal onderzoeksteam met leden van het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica (Albert Einstein Instituut; AEI) in Hannover heeft aangetoond dat een snel roterende neutronenster de kern vormt van een hemellichaam dat nu bekend staat als PSR J2039-5617. Ze gebruikten nieuwe data-analysemethoden en de enorme rekenkracht van het burgerwetenschapsproject Einstein@Home om de zwakke gammastraling van de neutronenster op te sporen in gegevens van NASA's Fermi Space Telescope. Hun resultaten laten zien dat de pulsar zich in een baan om de aarde bevindt met een stellaire metgezel van ongeveer een zesde van de massa van onze zon. De pulsar verdampt deze ster langzaam maar zeker. Het team ontdekte ook dat de baan van de metgezel in de loop van de tijd enigszins en onvoorspelbaar varieert. Met behulp van hun zoekmethode, ze verwachten in de toekomst meer van dergelijke systemen te vinden met Einstein@Home.

"Al jaren werd vermoed dat er een pulsar is, een snel roterende neutronenster, in het hart van de bron die we nu kennen als PSR J2039-5617, " zegt Lars Nieder, een doctoraat student aan het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) in Hannover en co-auteur van de studie die vandaag is gepubliceerd in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . "Maar het was alleen mogelijk om de sluier op te lichten en de pulsaties van gammastraling te ontdekken met de rekenkracht die tienduizenden vrijwilligers aan Einstein@Home hebben geschonken, " hij voegt toe.

Het hemellichaam staat sinds 2014 bekend als een bron van röntgenstraling, gamma stralen, en licht. Al het tot nu toe verkregen bewijs wees op een snel roterende neutronenster in een baan om de aarde met een lichtgewicht ster in het hart van de bron. Maar duidelijk bewijs ontbrak.

Precisiewaarnemingen met optische telescopen

De eerste stap naar het oplossen van dit raadsel waren nieuwe waarnemingen van de stellaire metgezel met optische telescopen. Ze leverden nauwkeurige kennis over het binaire systeem zonder welke een gammastraling-pulsar-zoekopdracht (zelfs met de enorme rekenkracht van Einstein@Home) onhaalbaar zou zijn.

De helderheid van het systeem varieert gedurende een omlooptijd, afhankelijk van welke kant van de metgezel van de neutronenster naar de aarde is gericht. "Voor J2039-5617, er zijn twee hoofdprocessen aan het werk, " legt Dr. Colin Clark van het Jodrell Bank Center for Astrophysics uit, hoofdauteur van de studie en voormalig Ph.D. student aan AEI Hannover. "De pulsar verwarmt één kant van de lichtgewicht metgezel, die helderder en blauwer lijkt. Aanvullend, de metgezel wordt vervormd door de aantrekkingskracht van de pulsar, waardoor de schijnbare grootte van de ster over de baan varieert." Door deze waarnemingen kon het team de meest nauwkeurige meting krijgen van de omlooptijd van 5,5 uur van de dubbelster, evenals andere eigenschappen van het systeem.

Zoeken met de hulp van tienduizenden vrijwilligers

Met deze informatie en de precieze luchtpositie van Gaia-gegevens, het team gebruikte de geaggregeerde rekenkracht van het gedistribueerde vrijwilligerscomputerproject Einstein@Home voor een nieuwe zoektocht van ongeveer 11 jaar archiefwaarnemingen van NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope. Verbetering van eerdere methoden die ze voor dit doel hadden ontwikkeld, ze riepen de hulp in van tienduizenden vrijwilligers om Fermi-gegevens te doorzoeken op periodieke pulsaties in de gammastraalfotonen die zijn geregistreerd door de Large Area Telescope aan boord van de ruimtetelescoop. De vrijwilligers doneerden inactieve rekencycli op de CPU's en GPU's van hun computers aan Einstein@Home.

Bij deze zoektocht moesten de gegevens heel fijn worden uitgekamd om geen mogelijke signalen te missen. De benodigde rekenkracht is enorm. De zoektocht zou 500 jaar hebben geduurd om op een enkele computerkern te voltooien. Door een deel van de Einstein@Home-middelen te gebruiken was het in 2 maanden gedaan.

Met de rekenkracht geschonken door de Einstein@Home vrijwilligers, het team ontdekte gammastraling van de snel roterende neutronenster. Deze gammastralingspulsar, nu bekend als J2039-5617, roteert ongeveer 377 keer per seconde.

Verrassende veranderingen van de baan

"We ontdekten dat de omlooptijd van de metgezel in de loop van de 11 jaar licht en onvoorspelbaar varieert. Hij verandert slechts met maximaal ongeveer tien milliseconden, maar aangezien we de aankomsttijd kennen van elk afzonderlijk gammafoton, van de pulsar tot op de microseconde nauwkeurig, zelfs dit kleine is veel!" zegt Nieder. Deze variaties van de omlooptijd kunnen worden gekoppeld aan kleine veranderingen in de vorm van de metgezel veroorzaakt door zijn magnetische activiteit. Net als onze zon kan de metgezel activiteitscycli doormaken. De veranderende magnetisch veld interageert met het plasma in de ster en vervormt het. Naarmate de vorm van de ster verandert, verandert ook het zwaartekrachtsveld, die op zijn beurt de baan van de pulsar beïnvloedt. Dit zou de waargenomen variaties in de omlooptijd kunnen verklaren.

"Spidery" pulsars consumeren hun partners

Terwijl de lichtgewicht stellaire metgezel in een baan om de pulsar draait, de sterke straling en deeltjeswind van de pulsar verdampen de metgezel. "Dit is de reden dat astronomen systemen zoals deze 'redbacks' noemen, verwijzend naar de Australische redback-spinnen waarvan de vrouwtjes de mannetjes opeten na het paren, " legt Nieder uit. In het geval van J2039-5617 vormt de materie die van de ster is weggenomen, wolken van geladen deeltjes in het binaire systeem die radiogolven absorberen. Dit is een van de redenen dat eerdere zoekopdrachten naar pulserende radio-emissie van de neutronenster mislukten. Met de nauwkeurige bepaling van de baan uit de gammastralingsgegevens, het was ook mogelijk om radiopulsaties te detecteren en dit zal in een apart artikel worden gepubliceerd.

"We kennen tientallen vergelijkbare bronnen van gammastraling die zijn gevonden door de Fermi Space Telescope, waarvan de ware identiteit nog onduidelijk is, " zegt Prof. Dr. Bruce Allen, directeur van het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica in Hannover en directeur en oprichter van Einstein@Home. "Veel kunnen pulsars zijn die verborgen zijn in binaire systemen en we zullen ze blijven achtervolgen met Einstein@Home, " hij voegt toe.