Fermi LAT lokaliseert 15 nieuwe pulsars voor MeerKAT

De Fermi Large Area Telescope (LAT) biedt aanzienlijke voordelen voor zoektochten naar pulsars door ongeïdentificeerde gammastraalbronnen met hoge precisie te lokaliseren, waardoor onderzoekers radiotelescopen zoals de MeerKAT Radio Telescope op specifieke coördinaten kunnen richten. Deze synergie heeft het vakgebied gerevolutioneerd door het zoekgebied te verkleinen van de volledige hemel naar enkele duizenden "pulsar-achtige" kandidaten. Door bronnen te identificeren die gammastraling uitzenden maar een bekende tegenhanger in radiogolven missen, kunnen astronomen efficiënt nieuwe millisecondepulsars (MSP's) ontdekken en bijdragen aan de groeiende catalogus van hoogenergetische kosmische objecten die essentieel zijn voor de detectie van zwaartekrachtgolven.

Hoeveel nieuwe pulsars werden ontdekt in het TRAPUM UHF-onderzoek?

Het TRAPUM UHF-onderzoek identificeerde 15 nieuwe pulsars via een gerichte zoektocht naar 79 ongeïdentificeerde gammastraalbronnen met behulp van de MeerKAT Radio Telescope. Deze ontdekkingen omvatten negen snel roterende millisecondepulsars (MSP's) en zes trage pulsars, wat de bekende populatie van deze exotische neutronensterren aanzienlijk uitbreidt en bevestigt dat zeven van de MSP's direct geassocieerd zijn met Fermi-LAT-bronnen.

Het onderzoek werd uitgevoerd door het Transients and Pulsars with MeerKAT (TRAPUM)-samenwerkingsverband, een internationaal team dat gebruikmaakt van de kracht van de Zuid-Afrikaanse MeerKAT Radio Telescope-array. Onder leiding van onderzoekers als Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer en Francesca Calore hanteerde het team een random forest machine-learning-techniek om de Fermi-LAT Fourth Source Catalogue te doorzoeken. Deze methode stelde hen in staat om kandidaten te selecteren die de karakteristieke spectrale eigenschappen van pulsars vertoonden voordat er kostbare hogeresolutie-radio-observatietijd werd ingezet.

Elk van de 79 doelwitten werd gedurende 10 minuten geobserveerd in twee afzonderlijke epochen om de validiteit van de detecties te waarborgen. Deze strategie leverde niet alleen 15 nieuwe objecten op, maar maakte ook gezamenlijke radio- en gammastraal-pulsartiming mogelijk. Door de radiopulsen af te stemmen op de gammastraalgegevens van de Fermi-ruimtetelescoop, kon het team de fysieke associatie bevestigen tussen de radio-uitzendende neutronensterren en de hoogenergetische gammastraal-emissies die vanuit een baan om de aarde werden gedetecteerd.

Hoe verhoudt de UHF-ontvanger zich tot de L-band bij het detecteren van pulsars?

De Ultra High Frequency (UHF)-ontvanger van de MeerKAT Radio Telescope, werkzaam tussen 544 en 1088 MHz, toonde een superieure gevoeligheid voor zwakkere pulsars in vergelijking met traditionele L-band-zoektochten. Door gebruik te maken van lagere frequenties behaalde het TRAPUM-onderzoek een hoger detectiepercentage voor nieuwe gammastraal-millisecondepulsars, wat bewijst dat de UHF-band effectiever is voor het blootleggen van subtiele signalen die op hogere frequenties onopgemerkt zouden kunnen blijven.

De methodologie omvatte een directe vergelijking tussen eerdere L-band-onderzoeken (die opereren op hogere frequenties rond 1284 MHz) en de nieuwe UHF-gegevens. De resultaten gaven aan dat de UHF-band bijzonder geschikt is voor het vinden van pulsars met steile spectrale indices—pulsars die veel helderder zijn op lagere frequenties. Dit technische voordeel is cruciaal voor het identificeren van "zwakke" pulsars die voorheen mogelijk over het hoofd zijn gezien door minder gevoelige apparatuur of onderzoeken op hogere frequenties.

• Frequentiebereik: UHF (544-1088 MHz) vs. L-band (~1284 MHz).
• Gevoeligheid: Verbeterde detectie van objecten met een lage fluxdichtheid.
• Efficiëntie: Hoger ontdekkingspercentage per observatie-uur voor gammastraalkandidaten.
• Interstellair medium: Verbeterd vermogen om de effecten van dispersie en verstrooiing voor bepaalde klassen pulsars te mitigeren.

Kosmische kannibalen: De ontdekking van spider-pulsars

Spider-pulsars zijn zeldzame binaire systemen waarbij een millisecondepulsar stelselmatig zijn begeleidende ster erodeert door intense straling en hoogenergetische deeltjeswinden. Deze systemen worden gecategoriseerd op basis van de massa van de begeleidende ster: Black Widows hebben begeleiders met een extreem lage massa (minder dan 0,1 zonsmassa), terwijl het bij Redbacks gaat om zwaardere, substantievere begeleidende sterren die vaak het radiosignaal van de pulsar verduisteren.

Onder de negen millisecondepulsars die in het TRAPUM-onderzoek werden ontdekt, identificeerden de onderzoekers drie Black Widows en drie Redbacks. Deze bevindingen zijn bijzonder significant omdat spider-pulsars een uniek laboratorium vormen voor het bestuderen van het "recyclingproces", waarbij een pulsar tot millisecondenperioden wordt opgejaagd door materie van zijn partner te accreteren. De intense pulsarwind in deze systemen begint uiteindelijk de begeleider te verdampen, wat leidt tot een dramatische kosmische dodendans die de pulsar uiteindelijk alleen kan achterlaten.

De ontdekking van deze zes spider-systemen werd ondersteund door de waarneming van radio-eclipsen. In deze gevallen creëert het gas dat van de begeleidende ster wordt gestript een sluier die periodiek voorkomt dat de radiopulsen de aarde bereiken. Door deze eclipsen te meten en de massa van de begeleider te schatten, kunnen Ramesh Karuppusamy en het team de overlevingskansen van sterren in de nabijheid van neutronensterren beter begrijpen.

Wat zijn de implicaties voor de fysica van neutronensterren?

De ontdekking van deze 15 pulsars levert cruciale gegevens op voor het begrijpen van de evolutiepaden van binaire systemen en de extreme fysica van neutronenster-materie. Door radio-observaties te koppelen aan gammastraalgegevens kunnen wetenschappers modellen van emissiemechanismen van pulsars verfijnen en onderzoeken hoe deze objecten transformeren van traag roterende sterren naar de ultrasnelle millisecondepulsars die worden gebruikt in onderzoek naar zwaartekrachtgolven.

Multi-golflengte-astronomie is essentieel voor een volledig beeld van het universum. Het vermogen om gezamenlijke timing uit te voeren over het elektromagnetische spectrum maakt een ongekende precisie mogelijk bij het meten van de rotatie en orbitale dynamica van deze sterren. Deze precisie is essentieel voor de uiteindelijke detectie van de nanohertz-zwaartekrachtgolfachtergrond, aangezien een grotere en diversere reeks getimede pulsars de gevoeligheid van wereldwijde Pulsar Timing Arrays verhoogt.

Bovendien benadrukt de variëteit van de gevonden populatie—variërend van trage pulsars tot zeer energetische MSP's—de diversiteit van de Fermi-LAT Fourth Source Catalogue. Het suggereert dat veel van de resterende ongeïdentificeerde gammastraalbronnen in ons sterrenstelsel waarschijnlijk neutronensterren zijn die wachten om ontdekt te worden door de volgende generatie gevoelige radio-ontvangers.

Wat is de volgende stap voor het TRAPUM-onderzoek en MeerKAT?

Toekomstige observaties zullen zich richten op langetermijntiming van deze nieuwe ontdekkingen om hun banen nauwkeurig in kaart te brengen en te zoeken naar aanvullende relativistische effecten. Het TRAPUM-onderzoek blijft de hemel scannen, waarbij de MeerKAT Radio Telescope dient als een primaire voorloper voor de Square Kilometre Array (SKA), die uiteindelijk 's werelds grootste en meest gevoelige radiotelescoop zal worden.

Het succes van het UHF-onderzoek suggereert dat een verschuiving naar observaties op lagere frequenties nog meer ontdekkingen zou kunnen opleveren in gebieden van het sterrenstelsel die voorheen als leeg werden beschouwd. Onderzoekers zijn van plan de zoektocht uit te breiden naar nog meer kandidaten uit de Fermi-LAT-catalogi, om zo mogelijk de "ontbrekende" populatie pulsars te onthullen die momenteel buiten ons bereik van onze huidige detectiedrempels valt. Terwijl Michael Kramer en andere medewerkers hun zoekalgoritmen verfijnen, zal de synergie tussen gammastraaltelescopen in de ruimte en radio-arrays op de grond de gouden standaard blijven voor de ontdekking van pulsars.