Fermi LAT identifierar 15 nya pulsarer för MeerKAT

Fermi Large Area Telescope (LAT) ger betydande fördelar för pulsarsökningar genom att lokalisera oidentifierade gammastrålningskällor med hög precision, vilket gör att forskare kan rikta radioteleskop som MeerKAT Radio Telescope mot specifika koordinater. Denna synergi har revolutionerat fältet genom att snäva ner sökområdet från hela himlen till några tusen "pulsarliknande" kandidater. Genom att identifiera källor som sänder ut gammastrålning men saknar en känd motsvarighet i radio, kan astronomer effektivt upptäcka nya millisekundpulsarer (MSP:er) och bidra till den växande katalogen av högenergetiska kosmiska objekt som är nödvändiga för detektering av gravitationsvågor.

Hur många nya pulsarer upptäcktes i TRAPUM UHF-undersökningen?

TRAPUM UHF-undersökningen identifierade 15 nya pulsarer genom en riktad sökning av 79 oidentifierade gammastrålningskällor med hjälp av MeerKAT Radio Telescope. Dessa upptäckter inkluderar nio snabbt roterande millisekundpulsarer (MSP:er) och sex långsamma pulsarer, vilket avsevärt utökar den kända populationen av dessa exotiska neutronstjärnor och bekräftar att sju av MSP-pulsarerna är direkt kopplade till Fermi-LAT-källor.

Forskningen utfördes av TRAPUM-samarbetet (Transients and Pulsars with MeerKAT), ett internationellt team som utnyttjar kraften i det sydafrikanska MeerKAT Radio Telescope-nätverket. Teamet, som leds av forskare inklusive Ramesh Karuppusamy, Michael Kramer och Francesca Calore, använde en "random forest"-maskininlärningsteknik för att sålla igenom Fermi-LAT Fourth Source Catalogue. Denna metod gjorde det möjligt för dem att välja ut kandidater som uppvisade de karakteristiska spektrala egenskaperna hos pulsarer innan de avsatte tid för högupplösta radioobservationer.

Var och en av de 79 målen observerades i 10 minuter under två separata epoker för att säkerställa att upptäckterna var giltiga. Denna strategi gav inte bara 15 nya objekt utan möjliggjorde även gemensam tidsbestämning (timing) av radio- och gammapulsarer. Genom att samköra radiopulserna med gammastrålningsdata från rymdteleskopet Fermi kunde teamet bekräfta det fysiska sambandet mellan de radioutsändande neutronstjärnorna och de högenergetiska gammastrålningsutbrotten som detekterats från omloppsbana.

Hur står sig UHF-mottagaren jämfört med L-bandet vid detektering av pulsarer?

MeerKAT-radioteleskopets Ultra High Frequency-mottagare (UHF), som arbetar mellan 544 och 1088 MHz, uppvisade en överlägsen känslighet för svagare pulsarer jämfört med traditionella sökningar i L-bandet. Genom att använda lägre frekvenser uppnådde TRAPUM-undersökningen en högre detekteringsgrad för nya millisekundpulsarer i gammastrålningsområdet, vilket bevisar att UHF-bandet är effektivare för att upptäcka subtila signaler som kan vara dolda vid högre frekvenser.

Metodiken innebar en direkt jämförelse mellan tidigare sökningar i L-bandet (som arbetar vid högre frekvenser runt 1284 MHz) och de nya UHF-data. Resultaten indikerade att UHF-bandet är särskilt lämpat för att hitta pulsarer med branta spektralindex – de som är mycket ljusare vid lägre frekvenser. Denna tekniska fördel är avgörande för att identifiera "svaga" pulsarer som tidigare kan ha förbisetts av mindre känslig utrustning eller undersökningar vid högre frekvenser.

• Frekvensområde: UHF (544–1088 MHz) mot L-bandet (~1284 MHz).
• Känslighet: Förbättrad detektering av objekt med låg flödestäthet.
• Effektivitet: Högre upptäcktsgrad per observationstimme för gammastrålningskandidater.
• Interstellärt medium: Förbättrad förmåga att mildra effekterna av dispersion och spridning för vissa klasser av pulsarer.

Kosmiska kannibaler: Upptäckten av spindelpulsarer

Spindelpulsarer är sällsynta binära system där en millisekundpulsar systematiskt bryter ner sin följeslagare genom intensiv strålning och högenergetiska partikelvindar. Dessa system delas in baserat på följeslagarens massa: Black Widows (Svarta änkor) har följeslagare med extremt låg massa (mindre än 0,1 solmassor), medan Redbacks involverar tyngre, mer massiva följeslagarstjärnor som ofta förmörkar pulsarens radiosignal.

Bland de nio millisekundpulsarer som upptäcktes i TRAPUM-undersökningen identifierade forskarna tre Black Widows och tre Redbacks. Dessa fynd är särskilt betydelsefulla eftersom spindelpulsarer utgör ett unikt laboratorium för att studera "återvinningsprocessen", där en pulsar ökar sin rotationshastighet till millisekundperioder genom att dra till sig materia från sin partner. Den intensiva pulsarvinden i dessa system börjar så småningom förånga följeslagaren, vilket leder till en dramatisk kosmisk dödsdans som till slut kan lämna pulsaren isolerad.

Upptäckten av dessa sex spindelsystem förstärktes av observationer av radioförmörkelser. I dessa fall skapar gasen som slits loss från följeslagarstjärnan ett hölje som periodvis blockerar radiopulserna från att nå jorden. Genom att mäta dessa förmörkelser och uppskatta följeslagarens massa kan Ramesh Karuppusamy och teamet bättre förstå överlevnadsgraden för stjärnor i nära anslutning till neutronstjärnor.

Vilka är konsekvenserna för neutronstjärnefysiken?

Upptäckten av dessa 15 pulsarer ger kritisk data för att förstå utvecklingsvägarna för binära system och den extrema fysiken hos neutronstjärnemateria. Genom att koppla radioobservationer till gammastrålningsdata kan forskare förfina modeller av pulsarnas emissionsmekanismer och utforska hur dessa objekt övergår från långsamt roterande stjärnor till de ultrasnabba millisekundpulsarer som används i gravitationsvågsforskning.

Multivåglängdsastronomi är avgörande för en fullständig bild av universum. Förmågan att utföra gemensam tidsbestämning över det elektromagnetiska spektrumet möjliggör oöverträffad precision vid mätning av dessa stjärnors rotation och omloppsdynamik. Denna precision är avgörande för den framtida detekteringen av bakgrunden av gravitationsvågor i nanohertz-området, eftersom ett större och mer varierat urval av tidsbestämda pulsarer ökar känsligheten hos globala Pulsar Timing Arrays.

Vidare belyser variationen i den funna populationen – från långsamma pulsarer till högenergetiska MSP:er – mångfalden i Fermi-LAT Fourth Source Catalogue. Det tyder på att många av de återstående oidentifierade gammastrålningskällorna i vår galax sannolikt är neutronstjärnor som väntar på att upptäckas av nästa generation känsliga radiomottagare.

Vad händer härnäst för TRAPUM-undersökningen och MeerKAT?

Framtida observationer kommer att fokusera på långsiktig tidsbestämning av dessa nya upptäckter för att noggrant kartlägga deras omloppsbanor och söka efter ytterligare relativistiska effekter. TRAPUM-undersökningen fortsätter att skanna himlen, med MeerKAT Radio Telescope som en primär föregångare till Square Kilometre Array (SKA), som så småningom kommer att bli världens största och känsligaste radioteleskop.

Framgången med UHF-undersökningen tyder på att en övergång till observationer vid lägre frekvenser kan ge ännu fler upptäckter i regioner av galaxen som tidigare ansågs vara tomma. Forskare planerar att utöka sökningen till att inkludera ännu fler kandidater från Fermi-LAT-katalogerna, vilket potentiellt kan avslöja den "saknade" populationen av pulsarer som för närvarande undgår våra nuvarande detekteringströsklar. Allt eftersom Michael Kramer och andra samarbetspartners förfinar sina sökalgoritmer, kommer synergin mellan rymdbaserade gammastrålningsteleskop och markbaserade radionätverk att förbli guldstandarden för pulsarupptäckter.