Fermi LAT lokalisiert 15 neue Pulsare für MeerKAT

Das Fermi Large Area Telescope (LAT) bietet signifikante Vorteile für die Pulsarsuche, indem es nicht identifizierte Gammastrahlenquellen mit hoher Präzision lokalisiert. Dies ermöglicht es Forschern, Radioteleskope wie das MeerKAT Radio Telescope gezielt auf spezifische Koordinaten auszurichten. Diese Synergie hat das Fachgebiet revolutioniert, indem das Suchgebiet vom gesamten Himmel auf einige tausend „pulsarähnliche“ Kandidaten eingegrenzt wurde. Durch die Identifizierung von Quellen, die Gammastrahlen aussenden, aber kein bekanntes Radio-Gegenstück besitzen, können Astronomen effizient neue Millisekundenpulsare (MSPs) entdecken und zum wachsenden Katalog hochenergetischer kosmischer Objekte beitragen, die für den Nachweis von Gravitationswellen unerlässlich sind.

Wie viele neue Pulsare wurden im Rahmen der TRAPUM-UHF-Durchmusterung entdeckt?

Die TRAPUM-UHF-Durchmusterung identifizierte 15 neue Pulsare durch eine gezielte Suche in 79 nicht identifizierten Gammastrahlenquellen unter Verwendung des MeerKAT-Radioteleskops. Diese Entdeckungen umfassen neun schnell rotierende Millisekundenpulsare (MSPs) und sechs langsame Pulsare, was die bekannte Population dieser exotischen Neutronensterne erheblich erweitert und bestätigt, dass sieben der MSPs direkt mit Fermi-LAT-Quellen in Verbindung stehen.

Die Forschungsarbeit wurde von der Kollaboration „Transients and Pulsars with MeerKAT“ (TRAPUM) durchgeführt, einem internationalen Team, das die Leistungsfähigkeit des südafrikanischen MeerKAT Radio Telescope-Arrays nutzt. Unter der Leitung von Forschern wie Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer und Francesca Calore setzte das Team eine Random-Forest-Maschinenlerntechnik ein, um den vierten Quellkatalog des Fermi-LAT zu durchsuchen. Diese Methode erlaubte es ihnen, Kandidaten auszuwählen, die die charakteristischen spektralen Eigenschaften von Pulsaren aufwiesen, bevor hochauflösende Radiobeobachtungszeit in Anspruch genommen wurde.

Jedes der 79 Ziele wurde über zwei separate Epochen hinweg jeweils 10 Minuten lang beobachtet, um die Validität der Detektionen sicherzustellen. Diese Strategie lieferte nicht nur 15 neue Objekte, sondern ermöglichte auch ein gemeinsames Radio- und Gammastrahlen-Pulsar-Timing. Durch den Abgleich der Radioimpulse mit den Gammastrahlen-Daten des Fermi-Weltraumteleskops konnte das Team die physikalische Verbindung zwischen den radioemittierenden Neutronensternen und den aus dem Orbit detektierten hochenergetischen Gammastrahlenemissionen bestätigen.

Wie schneidet der UHF-Empfänger im Vergleich zum L-Band bei der Pulsarsuche ab?

Der Ultrahochfrequenz (UHF)-Empfänger des MeerKAT-Radioteleskops, der zwischen 544 und 1088 MHz arbeitet, demonstrierte eine überlegene Empfindlichkeit gegenüber schwächeren Pulsaren im Vergleich zu herkömmlichen L-Band-Suchen. Durch die Nutzung niedrigerer Frequenzen erzielte die TRAPUM-Durchmusterung eine höhere Entdeckungsrate für neue Gammastrahlen-Millisekundenpulsare und bewies damit, dass das UHF-Band effektiver ist, um subtile Signale aufzuspüren, die bei höheren Frequenzen verborgen bleiben könnten.

Die Methodik beinhaltete einen direkten Vergleich zwischen früheren L-Band-Durchmusterungen (die bei höheren Frequenzen um 1284 MHz arbeiten) und den neuen UHF-Daten. Die Ergebnisse zeigten, dass das UHF-Band besonders geeignet ist, Pulsare mit steilen Spektralindizes zu finden – also solche, die bei niedrigeren Frequenzen deutlich heller sind. Dieser technische Vorteil ist entscheidend für die Identifizierung „schwacher“ Pulsare, die zuvor von weniger empfindlichen Geräten oder bei Durchmusterungen in höheren Frequenzbereichen übersehen wurden.

• Frequenzbereich: UHF (544-1088 MHz) vs. L-Band (~1284 MHz).
• Empfindlichkeit: Verbesserte Detektion von Objekten mit geringer Flussdichte.
• Effizienz: Höhere Entdeckungsrate pro Beobachtungsstunde für Gammastrahlen-Kandidaten.
• Interstellares Medium: Verbesserte Fähigkeit, die Auswirkungen von Dispersion und Streuung für bestimmte Pulsarklassen zu mildern.

Kosmische Kannibalen: Die Entdeckung von Spider-Pulsaren

Spider-Pulsare sind seltene Doppelsternsysteme, in denen ein Millisekundenpulsar seinen Begleitstern durch intensive Strahlung und hochenergetische Teilchenwinde systematisch erodiert. Diese Systeme werden basierend auf der Masse des Begleitsterns kategorisiert: Black Widows (Schwarze Witwen) weisen Begleiter mit extrem geringer Masse auf (weniger als 0,1 Sonnenmassen), während Redbacks schwerere, substanziellere Begleitsterne involvieren, die oft das Radiosignal des Pulsars verdecken.

Unter den neun in der TRAPUM-Durchmusterung entdeckten Millisekundenpulsaren identifizierten die Forscher drei Black Widows und drei Redbacks. Diese Funde sind besonders bedeutsam, da Spider-Pulsare ein einzigartiges Labor zur Untersuchung des „Recycling“-Prozesses bieten, bei dem ein Pulsar durch das Akkretieren von Materie seines Partners auf Millisekunden-Perioden beschleunigt wird. Der intensive Pulsarwind in diesen Systemen beginnt schließlich, den Begleiter zu verdampfen, was zu einem dramatischen kosmischen Totentanz führt, der den Pulsar letztlich isoliert zurücklassen kann.

Die Entdeckung dieser sechs Spider-Systeme wurde durch die Beobachtung von Radio-Eklipsen untermauert. In diesen Fällen erzeugt das vom Begleitstern weggerissene Gas eine Hülle, die die Radioimpulse periodisch daran hindert, die Erde zu erreichen. Durch die Messung dieser Eklipsen und die Schätzung der Begleitmasse können Ramesh Karuppusamy und sein Team die Überlebensraten von Sternen in unmittelbarer Nähe zu Neutronensternen besser verstehen.

Welche Auswirkungen ergeben sich für die Physik der Neutronensterne?

Die Entdeckung dieser 15 Pulsare liefert kritische Daten für das Verständnis der Entwicklungswege von Doppelsternsystemen und der extremen Physik von Neutronensternmaterie. Durch die Verknüpfung von Radiobeobachtungen mit Gammastrahlen-Daten können Wissenschaftler Modelle von Pulsar-Emissionsmechanismen verfeinern und erforschen, wie diese Objekte von langsam rotierenden Sternen zu den ultraschnellen Millisekundenpulsaren werden, die in der Gravitationswellenforschung eingesetzt werden.

Mehrwellenlängen-Astronomie ist essenziell für ein vollständiges Bild des Universums. Die Fähigkeit, ein gemeinsames Timing über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg durchzuführen, ermöglicht eine beispiellose Präzision bei der Messung der Rotations- und Orbitaldynamik dieser Sterne. Diese Präzision ist entscheidend für den späteren Nachweis des Nanohertz-Gravitationswellenhintergrunds, da ein größeres und vielfältigeres Array von zeitlich präzise vermessenen Pulsaren die Empfindlichkeit globaler Pulsar-Timing-Arrays erhöht.

Darüber hinaus unterstreicht die Vielfalt der gefundenen Population – von langsamen Pulsaren bis hin zu hochenergetischen MSPs – die Diversität des vierten Fermi-LAT-Quellkatalogs. Dies deutet darauf hin, dass viele der verbleibenden nicht identifizierten Gammastrahlenquellen in unserer Galaxie wahrscheinlich Neutronensterne sind, die darauf warten, von der nächsten Generation empfindlicher Radioempfänger entdeckt zu werden.

Wie geht es weiter mit der TRAPUM-Durchmusterung und MeerKAT?

Künftige Beobachtungen werden sich auf das Langzeit-Timing dieser Neuentdeckungen konzentrieren, um deren Umlaufbahnen präzise zu kartieren und nach zusätzlichen relativistischen Effekten zu suchen. Die TRAPUM-Durchmusterung setzt das Scannen des Himmels fort, wobei das MeerKAT Radio Telescope als primärer Vorläufer für das Square Kilometre Array (SKA) dient, welches schließlich das weltweit größte und empfindlichste Radioteleskop werden wird.

Der Erfolg der UHF-Durchmusterung legt nahe, dass der Wechsel zu Beobachtungen bei niedrigeren Frequenzen noch mehr Entdeckungen in Regionen der Galaxie hervorbringen könnte, die zuvor als leer galten. Die Forscher planen, die Suche auf noch mehr Kandidaten aus den Fermi-LAT-Katalogen auszuweiten und so potenziell die „fehlende“ Population von Pulsaren aufzudecken, die sich unseren derzeitigen Detektionsschwellen entzieht. Während Michael Kramer und andere Kollaborationspartner ihre Suchalgorithmen weiter verfeinern, wird die Synergie zwischen weltraumgestützten Gammastrahlenteleskopen und bodengebundenen Radio-Arrays der Goldstandard für die Pulsarentdeckung bleiben.