Fermi LAT individua 15 nuove pulsar per MeerKAT

Il Fermi Large Area Telescope (LAT) offre vantaggi significativi per la ricerca di pulsar individuando con alta precisione sorgenti di raggi gamma non identificate, consentendo ai ricercatori di puntare i radiotelescopi come il MeerKAT Radio Telescope verso coordinate specifiche. Questa sinergia ha rivoluzionato il campo, restringendo l'area di ricerca dall'intero cielo a poche migliaia di candidati "simili a pulsar". Identificando sorgenti che emettono raggi gamma ma sono prive di una controparte radio nota, gli astronomi possono scoprire in modo efficiente nuove pulsar al millisecondo (MSP) e contribuire al catalogo in crescita di oggetti cosmici ad alta energia, essenziali per la rilevazione delle onde gravitazionali.

Quante nuove pulsar sono state scoperte nella survey TRAPUM UHF?

La survey TRAPUM UHF ha identificato 15 nuove pulsar attraverso una ricerca mirata su 79 sorgenti di raggi gamma non identificate utilizzando il MeerKAT Radio Telescope. Queste scoperte includono nove pulsar al millisecondo (MSP) a rotazione rapida e sei pulsar lente, ampliando significativamente la popolazione nota di queste esotiche stelle di neutroni e confermando che sette delle MSP sono direttamente associate a sorgenti Fermi-LAT.

La ricerca è stata condotta dalla collaborazione Transients and Pulsars with MeerKAT (TRAPUM), un team internazionale che sfrutta la potenza dell'array sudafricano MeerKAT Radio Telescope. Guidato da ricercatori tra cui Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer e Francesca Calore, il team ha impiegato una tecnica di machine learning "random forest" per setacciare il Fermi-LAT Fourth Source Catalogue. Questo metodo ha permesso loro di selezionare i candidati che mostravano le caratteristiche proprietà spettrali delle pulsar prima di impegnare tempo di osservazione radio ad alta risoluzione.

Ciascuno dei 79 target è stato osservato per 10 minuti in due epoche separate per garantire la validità dei rilevamenti. Questa strategia non solo ha prodotto 15 nuovi oggetti, ma ha anche consentito il timing congiunto delle pulsar in banda radio e gamma. Allineando gli impulsi radio con i dati dei raggi gamma provenienti dal telescopio spaziale Fermi, il team è stato in grado di confermare l'associazione fisica tra le stelle di neutroni che emettono onde radio e le emissioni di raggi gamma ad alta energia rilevate dall'orbita.

In che modo il ricevitore UHF regge il confronto con la banda L nella rilevazione delle pulsar?

Il ricevitore Ultra High Frequency (UHF) del MeerKAT Radio Telescope, che opera tra 544 e 1088 MHz, ha dimostrato una sensibilità superiore verso le pulsar più deboli rispetto alle tradizionali ricerche in banda L. Utilizzando frequenze più basse, la survey TRAPUM ha ottenuto un tasso di rilevamento più elevato per le nuove pulsar al millisecondo a raggi gamma, dimostrando che la banda UHF è più efficace per scoprire segnali deboli che potrebbero essere oscurati a frequenze più elevate.

La metodologia ha previsto un confronto diretto tra le precedenti survey in banda L (che operano a frequenze più elevate, intorno a 1284 MHz) e i nuovi dati UHF. I risultati hanno indicato che la banda UHF è particolarmente adatta a trovare pulsar con indici spettrali ripidi, ovvero quelle che risultano molto più luminose a frequenze più basse. Questo vantaggio tecnico è fondamentale per identificare pulsar "fioche" che potrebbero essere state precedentemente trascurate da strumentazioni meno sensibili o da survey a frequenza più elevata.

• Gamma di frequenza: UHF (544-1088 MHz) vs. banda L (~1284 MHz).
• Sensibilità: Rilevazione potenziata di oggetti con bassa densità di flusso.
• Efficienza: Maggiore tasso di scoperta per ora di osservazione per i candidati a raggi gamma.
• Mezzo interstellare: Migliore capacità di mitigare gli effetti di dispersione e scattering per alcune classi di pulsar.

Cannibali cosmici: la scoperta delle pulsar spider

Le pulsar spider sono rari sistemi binari in cui una pulsar al millisecondo erode sistematicamente la sua stella compagna attraverso radiazioni intense e venti di particelle ad alta energia. Questi sistemi sono categorizzati in base alla massa della stella compagna: le Vedove Nere (Black Widows) presentano compagne a massa estremamente bassa (meno di 0,1 masse solari), mentre le Redback coinvolgono stelle compagne più pesanti e consistenti che spesso eclissano il segnale radio della pulsar.

Tra le nove pulsar al millisecondo scoperte nella survey TRAPUM, i ricercatori hanno identificato tre Vedove Nere e tre Redback. Questi risultati sono particolarmente significativi perché le pulsar spider forniscono un laboratorio unico per studiare il processo di "riciclo", in cui una pulsar accelera fino a periodi di millisecondi accrescendo materia dal suo partner. L'intenso vento di pulsar in questi sistemi finisce per far evaporare la compagna, portando a una drammatica danza della morte cosmica che può infine lasciare la pulsar isolata.

La scoperta di questi sei sistemi spider è stata supportata dall'osservazione di eclissi radio. In questi casi, il gas strappato alla stella compagna crea una coltre che blocca periodicamente gli impulsi radio diretti verso la Terra. Misurando queste eclissi e stimando la massa della compagna, Ramesh Karuppusamy e il team possono comprendere meglio i tassi di sopravvivenza delle stelle in stretta prossimità delle stelle di neutroni.

Quali sono le implicazioni per la fisica delle stelle di neutroni?

La scoperta di queste 15 pulsar fornisce dati critici per comprendere i percorsi evolutivi dei sistemi binari e la fisica estrema della materia delle stelle di neutroni. Collegando le osservazioni radio con i dati dei raggi gamma, gli scienziati possono perfezionare i modelli dei meccanismi di emissione delle pulsar ed esplorare come questi oggetti transitino da stelle a rotazione lenta a pulsar al millisecondo ultra-veloci utilizzate nella ricerca sulle onde gravitazionali.

L'astronomia multi-lunghezza d'onda è essenziale per una visione completa dell'universo. La capacità di eseguire un timing congiunto attraverso lo spettro elettromagnetico consente una precisione senza precedenti nella misurazione della rotazione e della dinamica orbitale di queste stelle. Questa precisione è vitale per l'eventuale rilevazione del fondo di onde gravitazionali a frequenze nanohertz, poiché un array più ampio e diversificato di pulsar monitorate aumenta la sensibilità dei Pulsar Timing Array globali.

Inoltre, la varietà della popolazione individuata — che spazia dalle pulsar lente alle MSP altamente energetiche — evidenzia la diversità del Fermi-LAT Fourth Source Catalogue. Ciò suggerisce che molte delle restanti sorgenti di raggi gamma non identificate nella nostra galassia siano probabilmente stelle di neutroni in attesa di essere scoperte dalla prossima generazione di ricevitori radio sensibili.

Cosa riserva il futuro per la survey TRAPUM e MeerKAT?

Le osservazioni future si concentreranno sul timing a lungo termine di queste nuove scoperte per mappare con precisione le loro orbite e cercare ulteriori effetti relativistici. La survey TRAPUM continua a scansionare il cielo, con il MeerKAT Radio Telescope che funge da primario precursore per lo Square Kilometre Array (SKA), che diventerà il radiotelescopio più grande e sensibile al mondo.

Il successo della survey UHF suggerisce che lo spostamento verso osservazioni a frequenza più bassa potrebbe produrre ancora più scoperte in regioni della galassia precedentemente ritenute vuote. I ricercatori pianificano di espandere la ricerca per includere ancora più candidati dai cataloghi Fermi-LAT, scoprendo potenzialmente la popolazione "mancante" di pulsar che attualmente sfugge alle nostre soglie di rilevamento. Mentre Michael Kramer e altri collaboratori perfezionano i loro algoritmi di ricerca, la sinergia tra i telescopi spaziali a raggi gamma e gli array radio a terra rimarrà lo standard di riferimento per la scoperta di pulsar.