MeerKAT wykrywa kosmiczne latarnie o niezwykłych właściwościach

Dziewięć pulsarów milisekundowych, większość z nich w rzadkich, a czasem nietypowych układach podwójnych: to pierwsze wyniki ukierunkowanego przeglądu przeprowadzonego przez południowoafrykańską sieć teleskopów MeerKAT. Zostało to opublikowane dzisiaj przez międzynarodowy zespół z dużym udziałem naukowców z Instytutu Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka (Instytut Alberta Einsteina) oraz Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka. Wybrali 79 nieznanych źródeł, takich jak pulsary, z obserwacji wykonanych przez Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermi i obserwowali je w paśmie radiowym za pomocą MeerKAT. Połączenie tej sprawdzonej metody z siecią teleskopów nowej generacji ma wyraźną przewagę nad poprzednimi przeglądami. Zespół wykrył dziewięć szybko obracających się gwiazd neutronowych, w większości o niezwykłych właściwościach. W dwóch z tych obiektów wykryto impulsy promieniowania gamma, analogi optyczne i rentgenowskie z innego systemu. Zespół odpowiedzialny za tę publikację poszukiwał również trwałych fal grawitacyjnych z gwiazdy neutronowej. Wyniki te podkreślają znaczenie poszukiwania pulsarów radiowych w katalogach niezidentyfikowanych źródeł promieniowania gamma. Powinny one dostarczyć więcej informacji: naukowcy są pewni, że przyszłe obserwacje ujawnią o wiele więcej pulsarów milisekundowych.

„W naszym przeglądzie trapów obserwowaliśmy wybór obiecujących źródeł podobnych do pulsarów za pomocą MeerKAT, stosunkowo nowego i bardzo czułego radioteleskopu, wraz z zastrzeżonym oprogramowaniem analitycznym” – mówi Colin Clark, lider grupy w Instytucie Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka. Albert-Einstein Institute) w Hanowerze i pierwszy autor badania. „Nagrodą za nasze wysiłki jest powód do dumy: odkryliśmy dziewięć nowych pulsarów milisekundowych, niektóre z nich dość niezwykłe”.

Zespół zastosował sprawdzone podejście do odkrywania nowych pulsarów milisekundowych: katalog Fermi Large Area Telescope rejestruje źródła promieniowania gamma wykryte przez kosmiczny teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope NASA w ciągu ośmiu lat obserwacji. Katalog ten zawiera informacje o lokalizacji źródeł na niebie, rozkładzie energii promieni gamma oraz czasowych zmianach jasności promieni gamma. „Wykorzystaliśmy metody uczenia maszynowego, aby określić prawdopodobieństwo, że wszystkie źródła w katalogu Fermiego, które nie są powiązane ze znanymi ciałami niebieskimi, są pulsarami” – wyjaśnia Clark. „W ten sposób zidentyfikowaliśmy źródła najbardziej podobne do pulsarów w katalogu Fermiego. Następnie zawęziliśmy naszą listę do tych, które najprawdopodobniej będą wykrywalne w naszym przeglądzie. Następnie zaobserwowaliśmy 79 odwiertów za pomocą MeerKAT.”

MeerKAT oferuje niespotykaną czułość na południowym niebie

MeerKAT to układ 64 anten parabolicznych o efektywnej średnicy 13,5 metra każda w Karoo w RPA. MeerKAT oferuje bezprecedensową czułość na ciała niebieskie na półkuli południowej. Jest w stanie wykryć źródła pięciokrotnie słabsze niż obserwowane przez drugi, bardziej czuły teleskop na półkuli południowej.

Projekt MeerKAT Large Survey of Transient Stars and Pulsars (Trapum) wykorzystuje tę czułość do poszukiwania nowych pulsarów w tych częściach nieba, w których występuje największe prawdopodobieństwo ich znalezienia: gromadach kulistych, pobliskich galaktykach, pozostałościach supernowych i – jak ta sonda . Nieznane źródła promieniowania gamma. Wymaga to opracowania specjalnych komputerów, które zbierają dane z anten MeerKAT do wirtualnego dużego radioteleskopu zdolnego do jednoczesnej obserwacji prawie 500 blisko rozmieszczonych miejsc na niebie.

W Trapum Survey of Fermi, astronomowie wykorzystują dodatkową czułość MeerKAT, aby skrócić czas obserwacji do zaledwie 10 minut. To znacznie krócej niż godziny obserwacyjne wymagane wcześniej do znalezienia pulsarów w tych źródłach.

Krótkie notatki mają kilka zalet: więcej źródeł można zarejestrować w ograniczonym czasie obserwacji. Można je obserwować wielokrotnie, co zwiększa szansę na dostrzeżenie nowego pulsara radiowego, ponieważ nie zawsze są one widoczne za pierwszym razem. Przegląd pulsarów trapum obejmował dwie obserwacje dla każdego źródła. Analiza krótkich obserwacji jest mniej wymagająca obliczeniowo niż analiza dłuższych obserwacji. Ponadto ruch orbitalny w układach podwójnych gwiazd może komplikować wykrywanie pulsarów radiowych. W krótkim okresie obserwacji ruch pulsara jest prawie stały, co minimalizuje niekorzystny efekt zmiany ruchu orbitalnego.

Oprócz wysokiej czułości, sieć teleskopu MeerKAT oferuje jeszcze jedną przewagę nad radioteleskopami z pojedynczą anteną paraboliczną ze względu na szeroki zasięg. MeerKAT może zlokalizować niebo w poszukiwaniu nowych źródeł z bardzo dużą dokładnością. Umożliwia to szybkie skanowanie kontrolne na innych długościach fal.

Dziewięć nowych pulsarów milisekundowych

Poszukiwanie pulsarów z dużą ilością danych generowanych podczas obserwacji uderzeniowych wymaga dużej mocy obliczeniowej i szybkiego przetwarzania, aby zwolnić pamięć na więcej obserwacji.

„Użyliśmy specjalnie opracowanych metod analizy danych działających na 120 procesorach graficznych w zastrzeżonym klastrze obliczeniowym, aby zbadać nasze obserwacje MeerKAT. Szybko znaleźliśmy dziewięć potencjalnych pulsarów milisekundowych, z których wszystkie byliśmy w stanie potwierdzić dodatkowymi obserwacjami MeerKAT” – mówi Iwan Parr. lider grupy w Instytucie Radioastronomii Maxa Plancka i naukowiec projektu Trapum. „To niezwykłe, że byliśmy w stanie wykorzystać te potwierdzające obserwacje do poprawy lokalizacji nieba, ponieważ MeerKAT jest w stanie jednocześnie obserwować wiele zbiegających się miejsc na niebie. Jest to nieocenione w dalszych badaniach na różnych długościach fal”.

Pobliski układ podwójny składający się z pulsara i białego karła

Następnie szczegółowo zbadano jeden z wykrytych pulsarów, PSR J1526-2744. Po wykryciu tego pulsara radiowego w układzie podwójnym gwiazd, naukowcy wykryli również impulsy promieniowania gamma gwiazdy neutronowej. Z pomocą wszystkich dostępnych danych Fermiego byli w stanie szczegółowo zbadać ruch orbitalny i określić właściwości układu podwójnego gwiazd. Najprawdopodobniej gwiazda neutronowa okrąża wspólny środek masy z lekkim białym karłem w mniej niż pięć godzin. Byłby to jeden z najkrótszych znanych okresów orbitalnych dla takich układów podwójnych.

Zespół poszukiwał również tak zwanych trwałych fal grawitacyjnych z PSR J1526-2744. Gdyby gwiazda neutronowa została zdeformowana, emitowałaby fale grawitacyjne o dwukrotnie większej częstotliwości rotacji. Naukowcy wykorzystali wszystkie publicznie dostępne zaawansowane dane LIGO z obserwacji O1, O2 i O3. Znając dokładnie ruch pulsara w układzie podwójnym dzięki obserwacjom w zakresie promieniowania gamma, zespół badawczy osiągnął najwyższą możliwą czułość w poszukiwaniu fal grawitacyjnych.

fale grawitacyjne

Chociaż nie zaobserwowali trwałych fal grawitacyjnych z PSR J1526-2744, byli w stanie zmierzyć, jak daleko gwiazda neutronowa odeszła od idealnej symetrii osiowej. „Teraz wiemy, że PSR J1526-2744 jest rzeczywiście bardzo symetryczny. Pokazaliśmy, że równik gwiazdy neutronowej nie może odchylić się od pełnego koła o więcej niż średnica ludzkiego włosa” – mówi Anjana Ashok, doktorantka w niezależna, stała grupa badawcza Maxa Plancka. Ciągłe fale grawitacyjne” w Instytucie Fizyki Grawitacyjnej im. Maxa Plancka w Hanowerze. Prowadziła poszukiwania fal grawitacyjnych.

Dwa inne pulsary, PSR J1036-4353 i PSR J1803-6707, są typowymi układami pulsarowymi złożonymi z gwiazd neutronowych z gwiazdami towarzyszącymi o masie co najmniej jednej czwartej masy naszego Słońca. Te pulsary niszczą swoich partnerów, wysysając ich z czasem do sucha, podobnie jak australijskie pająki redback, których samice zjadają samce po kryciu.

Po szybkim i dokładnym określeniu pozycji pulsarów dzięki unikalnym możliwościom MeerKAT, zespół zidentyfikował pulsary towarzyszące w katalogu gwiazd misji Gaia Astrometry i zbadał je w widmie optycznym za pomocą kamery Ultracam na Teleskopie Nowej Technologii Europejskiego Obserwatorium Południowego. Ponadto znaleźli zdjęcie rentgenowskie PSR J1803-6707 w danych z pierwszego kompleksowego przeglądu eRosita. Promienie rentgenowskie prawdopodobnie pochodzą z energetycznego wiatru pulsarowego zderzającego się z materią odparowaną przez towarzysza. Jest to typowe dla systemów Redback.

Pulsary ukrywają się w katalogu

Trudno oszacować liczbę nieodkrytych pulsarów ukrywających się za pulsaropodobnymi źródłami Fermiego. Astronomowie są jednak pewni, że przyszłe obserwacje wciąż będą w stanie wykryć kilka pulsarów milisekundowych. Lista rzeczy, które należy uważnie obserwować, obejmuje już kandydatów, którzy najprawdopodobniej są pulsarami. Jednak w wielu przeglądach dotychczas nie wykazały żadnych pulsujących fal radiowych ani promieni gamma. Nowe teleskopy, metody analizy i wielokrotne próby obserwacji mogą kiedyś udowodnić, że w rzeczywistości są to pulsary. W miarę wydłużania się czasu obserwacji Fermiego katalog źródeł będzie się powiększał i pojawi się więcej źródeł podobnych do pulsarów, które staną się potencjalnymi celami.

„Nasze wyniki, które są dopiero pierwszymi z badania Trapum źródeł Fermiego, naprawdę pokazują ogromny potencjał MeerKAT. Dzięki MeerKAT i specjalnemu oprogramowaniu możemy nie tylko wykrywać nowe pulsary z milisekundy, ale także szybko i dokładnie je lokalizować, – mówi Clark. „Obserwacje MeerKAT są bardzo pomocne w śledzeniu na różnych długościach fal, wyszukiwaniu katalogów i przyszłych obserwacjach – innymi słowy, pulsary sprawiają, że milisekundy są darem, który wciąż daje”.