Fermi LAT wskazuje 15 nowych pulsarów dla radioteleskopu MeerKAT

Fermi Large Area Telescope (LAT) zapewnia znaczące korzyści w poszukiwaniach pulsarów poprzez precyzyjne wskazywanie niezidentyfikowanych źródeł promieniowania gamma, co pozwala badaczom kierować radioteleskopy, takie jak radioteleskop MeerKAT, na konkretne współrzędne. Ta synergia zrewolucjonizowała dziedzinę, zawężając obszar poszukiwań z całego nieba do kilku tysięcy kandydatów „pulsaropodobnych”. Identyfikując źródła, które emitują promieniowanie gamma, ale nie posiadają znanego odpowiednika radiowego, astronomowie mogą skutecznie odkrywać nowe pulsary milisekundowe (MSP) i wzbogacać katalog wysokoenergetycznych obiektów kosmicznych, które są niezbędne do detekcji fal grawitacyjnych.

Ile nowych pulsarów odkryto w przeglądzie TRAPUM UHF?

W ramach przeglądu TRAPUM UHF zidentyfikowano 15 nowych pulsarów dzięki ukierunkowanym poszukiwaniom w 79 niezidentyfikowanych źródłach promieniowania gamma przy użyciu radioteleskopu MeerKAT. Odkrycia te obejmują dziewięć szybko rotujących pulsarów milisekundowych (MSP) oraz sześć pulsarów wolnych, co znacząco poszerza znaną populację tych egzotycznych gwiazd neutronowych i potwierdza, że siedem z MSP jest bezpośrednio powiązanych ze źródłami Fermi-LAT.

Badania zostały przeprowadzone przez kolaborację Transients and Pulsars with MeerKAT (TRAPUM), międzynarodowy zespół wykorzystujący moc południowoafrykańskiej sieci radioteleskopów MeerKAT. Zespół, prowadzony przez naukowców takich jak Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer i Francesca Calore, wykorzystał technikę uczenia maszynowego opartą na lasach losowych (random forest) do przesiewania czwartego katalogu źródeł Fermi-LAT (Fourth Source Catalogue). Metoda ta pozwoliła im wyselekcjonować kandydatów wykazujących charakterystyczne właściwości widmowe pulsarów przed poświęceniem czasu na obserwacje radiowe o wysokiej rozdzielczości.

Każdy z 79 celów był obserwowany przez 10 minut w dwóch oddzielnych epokach, aby zapewnić wiarygodność detekcji. Strategia ta nie tylko przyniosła 15 nowych obiektów, ale także umożliwiła wspólne pomiary czasu (timing) pulsarów w zakresie radiowym i gamma. Dzięki dopasowaniu impulsów radiowych do danych gamma z teleskopu kosmicznego Fermi, zespół był w stanie potwierdzić fizyczny związek między emitującymi fale radiowe gwiazdami neutronowymi a wysokoenergetyczną emisją gamma wykrytą z orbity.

Jak odbiornik UHF wypada w porównaniu z pasmem L w wykrywaniu pulsarów?

Odbiornik ultra-wysokiej częstotliwości (UHF) radioteleskopu MeerKAT, pracujący w zakresie od 544 do 1088 MHz, wykazał wyższą czułość na słabsze pulsary w porównaniu z tradycyjnymi poszukiwaniami w pasmie L. Dzięki wykorzystaniu niższych częstotliwości, przegląd TRAPUM osiągnął wyższy wskaźnik wykrywalności nowych pulsarów milisekundowych gamma, udowadniając, że pasmo UHF jest skuteczniejsze w odkrywaniu subtelnych sygnałów, które mogą być niewidoczne na wyższych częstotliwościach.

Metodologia obejmowała bezpośrednie porównanie poprzednich przeglądów w pasmie L (które działają na wyższych częstotliwościach około 1284 MHz) z nowymi danymi UHF. Wyniki wskazały, że pasmo UHF jest szczególnie skuteczne w znajdowaniu pulsarów o stromych indeksach widmowych – takich, które są znacznie jaśniejsze przy niższych częstotliwościach. Ta przewaga techniczna ma kluczowe znaczenie dla identyfikacji „słabych” pulsarów, które mogły zostać wcześniej przeoczone przez mniej czuły sprzęt lub przeglądy na wyższych częstotliwościach.

• Zakres częstotliwości: UHF (544-1088 MHz) vs. pasmo L (~1284 MHz).
• Czułość: Zwiększona wykrywalność obiektów o niskiej gęstości strumienia.
• Wydajność: Wyższy wskaźnik odkryć na godzinę obserwacji dla kandydatów gamma.
• Ośrodek międzygwiazdowy: Poprawiona zdolność do łagodzenia efektów dyspersji i rozpraszania dla niektórych klas pulsarów.

Kosmiczni kanibale: Odkrycie pulsarów typu pająk

Pulsary typu pająk (spider pulsars) to rzadkie układy podwójne, w których pulsar milisekundowy systematycznie niszczy swoją gwiazdę towarzyszącą poprzez intensywne promieniowanie i wiatry cząstek o wysokiej energii. Układy te są kategoryzowane na podstawie masy gwiazdy towarzyszącej: Czarne Wdowy (Black Widows) charakteryzują się towarzyszami o ekstremalnie niskiej masie (poniżej 0,1 masy Słońca), podczas gdy Redbacki (Redbacks) obejmują cięższe, masywniejsze gwiazdy towarzyszące, które często przesłaniają sygnał radiowy pulsara.

Wśród dziewięciu pulsarów milisekundowych odkrytych w przeglądzie TRAPUM, badacze zidentyfikowali trzy Czarne Wdowy i trzy Redbacki. Znaleziska te są szczególnie istotne, ponieważ pulsary typu pająk stanowią unikalne laboratorium do badania procesu „recyklingu”, w którym pulsar przyspiesza swoją rotację do okresów milisekundowych poprzez akrecję materii od swojego partnera. Intensywny wiatr pulsarowy w tych układach ostatecznie zaczyna odparowywać towarzysza, prowadząc do dramatycznego kosmicznego tańca śmierci, który może w końcu pozostawić pulsara odizolowanym.

Odkrycie tych sześciu układów typu pająk zostało potwierdzone przez obserwację zaćmień radiowych. W takich przypadkach gaz odrywany od gwiazdy towarzyszącej tworzy osłonę, która okresowo blokuje impulsy radiowe docierające do Ziemi. Mierząc te zaćmienia i szacując masę towarzysza, Ramesh Karuppusamy wraz z zespołem mogą lepiej zrozumieć wskaźniki przetrwania gwiazd znajdujących się w bliskim sąsiedztwie gwiazd neutronowych.

Jakie są implikacje dla fizyki gwiazd neutronowych?

Odkrycie tych 15 pulsarów dostarcza krytycznych danych dla zrozumienia ścieżek ewolucyjnych układów podwójnych oraz ekstremalnej fizyki materii gwiazd neutronowych. Łącząc obserwacje radiowe z danymi gamma, naukowcy mogą udoskonalić modele mechanizmów emisji pulsarów i zbadać, w jaki sposób obiekty te przechodzą od wolno rotujących gwiazd do ultraszybkich pulsarów milisekundowych wykorzystywanych w badaniach fal grawitacyjnych.

Astronomia wielozakresowa jest niezbędna do uzyskania pełnego obrazu wszechświata. Możliwość wykonywania wspólnych pomiarów czasu (timing) w całym spektrum elektromagnetycznym pozwala na bezprecedensową precyzję w mierzeniu rotacji i dynamiki orbitalnej tych gwiazd. Ta precyzja jest kluczowa dla ewentualnego wykrycia tła fal grawitacyjnych o częstotliwościach nanohercowych, ponieważ większa i bardziej zróżnicowana sieć mierzonych pulsarów zwiększa czułość globalnych sieci pomiaru czasu pulsarów (Pulsar Timing Arrays).

Co więcej, różnorodność znalezionej populacji – od wolnych pulsarów po wysokoenergetyczne MSP – podkreśla zróżnicowanie czwartego katalogu źródeł Fermi-LAT. Sugeruje to, że wiele z pozostałych niezidentyfikowanych źródeł promieniowania gamma w naszej galaktyce to prawdopodobnie gwiazdy neutronowe czekające na odkrycie przez następną generację czułych odbiorników radiowych.

Co dalej z przeglądem TRAPUM i MeerKAT?

Przyszłe obserwacje skupią się na długoterminowym pomiarze czasu tych nowych odkryć, aby precyzyjnie wyznaczyć ich orbity i poszukiwać dodatkowych efektów relatywistycznych. Przegląd TRAPUM kontynuuje skanowanie nieba, a radioteleskop MeerKAT służy jako główny prekursor dla Square Kilometre Array (SKA), który docelowo stanie się największym i najczulszym radioteleskopem na świecie.

Sukces przeglądu UHF sugeruje, że przesunięcie w stronę obserwacji na niższych częstotliwościach może przynieść jeszcze więcej odkryć w regionach galaktyki wcześniej uważanych za puste. Badacze planują rozszerzyć poszukiwania o jeszcze więcej kandydatów z katalogów Fermi-LAT, potencjalnie odkrywając „brakującą” populację pulsarów, która obecnie wymyka się naszym progom detekcji. W miarę jak Michael Kramer i inni współpracownicy będą udoskonalać algorytmy wyszukiwania, synergia między kosmicznymi teleskopami gamma a naziemnymi sieciami radiowymi pozostanie złotym standardem w odkrywaniu pulsarów.