Fermi LAT помог обнаружить 15 новых пульсаров для MeerKAT

Космический гамма-телескоп Fermi (LAT) предоставляет значительные преимущества для поиска пульсаров, с высокой точностью определяя неидентифицированные источники гамма-излучения, что позволяет исследователям нацеливать радиотелескопы, такие как MeerKAT Radio Telescope, на конкретные координаты. Это синергетическое взаимодействие произвело революцию в данной области, сузив область поиска со всего неба до нескольких тысяч «пульсароподобных» кандидатов. Идентифицируя источники, которые испускают гамма-лучи, но не имеют известного радиоаналога, астрономы могут эффективно открывать новые миллисекундные пульсары (МСП) и пополнять каталог высокоэнергетических космических объектов, необходимых для детектирования гравитационных волн.

Сколько новых пульсаров было обнаружено в ходе обзора TRAPUM UHF?

В ходе обзора TRAPUM UHF было выявлено 15 новых пульсаров путем прицельного поиска среди 79 неидентифицированных источников гамма-излучения с помощью радиотелескопа MeerKAT Radio Telescope. Эти открытия включают девять быстро вращающихся миллисекундных пульсаров (МСП) и шесть медленных пульсаров, что значительно расширяет известную популяцию этих экзотических нейтронных звезд и подтверждает, что семь МСП напрямую связаны с источниками Fermi-LAT.

Исследование проводилось коллаборацией Transients and Pulsars with MeerKAT (TRAPUM) — международной группой, использующей возможности южноафриканской системы MeerKAT Radio Telescope. Под руководством исследователей, среди которых были Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer и Francesca Calore, команда применила метод машинного обучения «случайный лес» (random forest) для анализа четвертого каталога источников Fermi-LAT. Этот метод позволил им отобрать кандидатов, демонстрирующих характерные спектральные свойства пульсаров, прежде чем выделять время на радио-наблюдения с высоким разрешением.

Каждая из 79 целей наблюдалась в течение 10 минут в две разные эпохи для подтверждения достоверности обнаружения. Эта стратегия не только позволила выявить 15 новых объектов, но и обеспечила возможность проведения совместного тайминга пульсаров в радио- и гамма-диапазонах. Сопоставив радиоимпульсы с данными гамма-излучения космического телескопа Fermi, команда смогла подтвердить физическую связь между радиоизлучающими нейтронными звездами и высокоэнергетическим гамма-излучением, зафиксированным с орбиты.

Как приемник UHF соотносится с L-диапазоном в обнаружении пульсаров?

Приемник ультравысоких частот (UHF) радиотелескопа MeerKAT Radio Telescope, работающий в диапазоне от 544 до 1088 МГц, продемонстрировал более высокую чувствительность к слабым пульсарам по сравнению с традиционным поиском в L-диапазоне. Используя более низкие частоты, обзор TRAPUM достиг более высокого уровня обнаружения новых гамма-излучающих миллисекундных пульсаров, доказав, что UHF-диапазон более эффективен для выявления едва уловимых сигналов, которые могут быть скрыты на более высоких частотах.

Методология включала прямое сравнение между предыдущими обзорами в L-диапазоне (который работает на более высоких частотах около 1284 МГц) и новыми данными UHF. Результаты показали, что UHF-диапазон особенно эффективен для поиска пульсаров с крутыми спектральными индексами — тех, что светят гораздо ярче на низких частотах. Это техническое преимущество имеет решающее значение для идентификации «тусклых» пульсаров, которые ранее могли быть пропущены менее чувствительным оборудованием или при обзорах на более высоких частотах.

• Диапазон частот: UHF (544–1088 МГц) против L-диапазона (~1284 МГц).
• Чувствительность: Улучшенное обнаружение объектов с низкой плотностью потока.
• Эффективность: Более высокая скорость открытий на час наблюдений для гамма-кандидатов.
• Межзвездная среда: Улучшенная способность смягчать эффекты дисперсии и рассеяния для определенных классов пульсаров.

Космические каннибалы: открытие пульсаров-пауков

Пульсары-пауки — это редкие двойные системы, в которых миллисекундный пульсар систематически разрушает свою звезду-компаньона интенсивным излучением и потоками высокоэнергетических частиц (пульсарным ветром). Эти системы классифицируются в зависимости от массы звезды-компаньона: «Черные вдовы» имеют компаньонов с экстремально малой массой (менее 0,1 массы Солнца), в то время как «Красноспинные пауки» включают более массивные и значительные звезды-компаньоны, которые часто затмевают радиосигнал пульсара.

Среди девяти миллисекундных пульсаров, обнаруженных в ходе обзора TRAPUM, исследователи выявили три «Черные вдовы» и три «Красноспинных паука». Эти находки особенно значимы, поскольку пульсары-пауки представляют собой уникальную лабораторию для изучения процесса «раскрутки», при котором пульсар ускоряет свое вращение до миллисекундных периодов за счет аккреции вещества от своего партнера. Интенсивный пульсарный ветер в таких системах со временем начинает испарять компаньона, что ведет к драматическому космическому «танцу смерти», который в конечном итоге может оставить пульсар в одиночестве.

Открытие этих шести систем «пауков» было подкреплено наблюдением радиозатмений. В этих случаях газ, срываемый со звезды-компаньона, создает облако, которое периодически блокирует радиоимпульсы на пути к Земле. Измеряя эти затмения и оценивая массу компаньона, Ramesh Karuppusamy и его команда могут лучше понять шансы на выживание звезд, находящихся в непосредственной близости от нейтронных звезд.

Какое значение это имеет для физики нейтронных звезд?

Открытие этих 15 пульсаров дает критически важные данные для понимания путей эволюции двойных систем и экстремальной физики вещества нейтронных звезд. Связывая радиозатмения с данными гамма-излучения, ученые могут уточнить модели механизмов излучения пульсаров и исследовать, как эти объекты превращаются из медленно вращающихся звезд в ультрабыстрые миллисекундные пульсары, используемые в исследованиях гравитационных волн.

Многоволновая астрономия необходима для получения полной картины Вселенной. Возможность выполнять совместный тайминг в различных диапазонах электромагнитного спектра обеспечивает беспрецедентную точность в измерении вращения и орбитальной динамики этих звезд. Эта точность жизненно важна для последующего обнаружения наногерцового фона гравитационных волн, так как более масштабный и разнообразный массив отслеживаемых пульсаров повышает чувствительность глобальных систем Pulsar Timing Arrays.

Более того, разнообразие обнаруженной популяции — от медленных пульсаров до высокоэнергетических МСП — подчеркивает неоднородность четвертого каталога источников Fermi-LAT. Это позволяет предположить, что многие из оставшихся неидентифицированных источников гамма-излучения в нашей Галактике, скорее всего, являются нейтронными звездами, ожидающими своего открытия следующим поколением чувствительных радиоприемников.

Что ждет обзор TRAPUM и MeerKAT в будущем?

Будущие наблюдения будут сосредоточены на долгосрочном тайминге этих новых открытий, чтобы точно составить карту их орбит и найти дополнительные релятивистские эффекты. Обзор TRAPUM продолжает сканировать небо, при этом MeerKAT Radio Telescope служит основным предшественником проекта Square Kilometre Array (SKA), который в конечном итоге станет крупнейшим и самым чувствительным радиотелескопом в мире.

Успех обзора в UHF-диапазоне указывает на то, что переход к наблюдениям на более низких частотах может принести еще больше открытий в регионах Галактики, которые ранее считались пустыми. Исследователи планируют расширить поиск, включив в него еще больше кандидатов из каталогов Fermi-LAT, что потенциально позволит раскрыть «недостающую» популяцию пульсаров, которая в данный момент ускользает от современных порогов обнаружения. По мере того как Michael Kramer и другие участники коллаборации совершенствуют свои алгоритмы поиска, синергия между космическими гамма-телескопами и наземными радиоинтерферометрами останется «золотым стандартом» в открытии пульсаров.