Fermi-Mission der NASA entdeckt fast 300 Gammapulsare… und es werden mehr
Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik haben jede sechste dieser Entdeckungen gemacht.
Ein internationales Team von Astronom:innen hat einen neuen Katalog mit 294 Pulsaren, die Gammastrahlung abgeben, veröffentlicht. Sie haben diese Gammapulsare und 34 noch nicht bestätigte Kandidaten in Daten des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA entdeckt. Damit sind nun 27-mal so vieler solcher Objekte wie beim Start der Mission im Jahr 2008 bekannt. Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover haben 53 Pulsare zu diesem Katalog beigetragen. Sie haben ihre Entdeckungen mit neuartigen, hocheffizienten Datenanalysemethoden mit dem freiwilligen verteilten Rechenprojekt Einstein@Home und auf dem Großrechner Atlas gemacht.
„Allein die Anzahl von fast 300 Gammapulsaren ist eine fantastische Leistung und unterstreicht die wichtige Rolle, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope spielt, seit es begonnen hat, unser Universum zu beobachten“, sagt Colin Clark, Mitautor der Studie und Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover. „Ich bin sehr stolz darauf, dass jeder sechste Gammapulsar im Katalog von Forschenden unseres Instituts entdeckt wurde.“
Die Beobachtung von Pulsaren ermöglicht weitere Untersuchungen in mehreren anderen Bereichen der Astronomie, beispielsweise bei der Suche nach Gravitationswellen und dunkler Materie oder beim Verständnis kosmischer Strahlung und der Sternentwicklung. Der Katalog, der jetzt im Astrophysical Journal Supplement veröffentlicht wurde, enthält umfassende Informationen über alle 294 bekannten Gammapulsare und die 34 Kandidaten.
Kosmische Leuchttürme
Pulsare sind besondere Neutronensterne: Überreste massereicher Sonnen, die als Supernova explodiert und so groß wie eine Stadt sind. In einer Kugel mit weniger als 27 Kilometer Durchmesser enthalten sie mehr Masse als unsere Sonne. Neutronensterne haben starke Magnetfelder, erzeugen Winde von energiereichen Teilchen und drehen sich schnell – bis zu 700 Mal pro Sekunde. Pulsare senden auch schmale Energiebündel aus, die wie das Licht von Leuchttürmen den Weltraum überstreichen, während die Objekte rotieren. Wenn diese Strahlen die Erde regelmäßig erreichen, beobachten Astronom:innen Energiepulse.
Der neue Katalog ist das Ergebnis der Arbeit von 170 Wissenschaftler:innen aus der ganzen Welt. Von den 300 Pulsaren, die in dem Katalog aufgeführt sind, haben Forschende des AEI Hannover 53 entdeckt. Mithilfe des Einstein@Home-Projekts und des Großrechners Atlas am Institut haben sie auch Gammapulsare aufgespürt, die keine Radiowellen abgeben. Dies erforderte Millionen Stunden Computerrechenzeit – ein Prozess, der als Blindsuche bezeichnet wird. Einstein@Home hat den Großteil der Gammaspulsare entdeckt, die bei solchen Blindsuchen gefunden wurden, und hat in den letzten Jahren fast alle dieser Entdeckungen gemacht.
Fermis Pulsar-Himmel
Das freiwillige verteilte Rechenprojekt Einstein@Home stellt die nötige Rechenleistung zur Verfügung, indem es zehntausende Computer von Bürgerwissenschaftler:innen aus der ganzen Welt zu einem globalen Supercomputer verbindet. Einstein@Home durchsucht Daten der LIGO-Gravitationswellen-Detektoren, vom Radioteleskop MeerKAT, vom Gammasatelliten Fermi und Archivdaten des Arecibo-Radioteleskops. Der neue Katalog enthält auch die von Einstein@Home zuletzt entdeckten 14 Gammapulsare. Einzelheiten zu ihrer Entdeckung werden in einem demnächst erscheinenden Fachartikel veröffentlicht.
Die Jungen und die Alten
Die meisten der 3.400 bekannten Pulsare befinden sich in unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, und lassen sich mittels Radiowellen beobachten. Nur etwa 10% sind als Quellen pulsierender Gammastrahlung, der energiereichsten Form von Licht, beobachtbar.
Astronom:innen unterscheiden verschiedene Arten von Pulsaren. Junge Pulsare sind in der Regel Einzelobjekte, die bei einer Supernova-Explosion vor mehreren tausend Jahren entstanden sind. Sie drehen sich typischerweise ein paar bis ein paar Dutzend Mal pro Sekunde. Die Abstrahlung von Energie verlangsamt allmählich ihre Rotation.
Paradoxerweise drehen sich Pulsare, die tausendfach älter sind, viel schneller: bis zu einigen hundert Mal pro Sekunde. Sie werden daher Millisekundenpulsare genannt. „Fast die Hälfte der Objekte in unserem neuen Katalog sind schnell rotierende Millisekundenpulsare. Vor Fermi haben wir noch nie einen Millisekundenpulsar im Gammastrahlenbereich gesehen“, sagt Lars Nieder, Mitautor der Studie und Forscher am AEI Hannover.
Beobachtungen von Millisekundenpulsaren in Doppelsystemen mit einem Sternenpartner liefern Hinweise zum Verständnis des Paradoxons. Ist er auf sich allein gestellt, verlangsamt die Abstrahlung einen Pulsar. Wenn dies geschieht, wird seine Abstrahlung zudem schwächer. Bildet er jedoch ein enges Paar mit einem normalen Stern, so kann die Schwerkraft des Pulsars einen Materiestrom von seinem Begleiter anziehen. Dieser kann die Rotation des Pulsars im Laufe der Zeit wieder beschleunigen.
Die Spinnen kommen
Die sogenannten „Spinnen“-Systeme bieten einen Einblick in das, was danach passiert. Sie sind nach Spinnen benannt, die dafür bekannt sind, ihre Partner zu verspeisen: Schwarze-Witwen-Pulsare haben leichte Begleiter (mit weniger als 5% der Masse unserer Sonne), während Rotrücken-Pulsare schwerere Begleiter haben. Wird die Rotation des Pulsars beschleunigt, so werden seine Abstrahlung und sein Teilchenwind so energiereich, dass er durch Vorgänge, die nur unvollständig verstanden sind, seinen Begleiter aufheizt und langsam verdampft. Die energiereichsten Spinnenpulsare können ihre Begleiter vollständig verdampfen und einen einzelnen Millisekundenpulsar zurücklassen.
J1555–2908 ist eine Schwarze Witwe mit Überraschungseffekt – mit ihrem „Gravitationsnetz“ könnte sie einen vorbeiziehenden Planeten eingefangen haben. Eine Analyse von 12 Jahren Fermi-Daten unter Leitung von AEI-Forschenden zeigt langfristige Schwankungen der Rotation, die viel größer sind als bei anderen Millisekundenpulsaren. „Wir glauben, dass ein Modell, das den Planeten als dritten Körper in einer weiten Umlaufbahn um den Pulsar und seinen Begleiter einbezieht, die Veränderungen etwas besser beschreibt als andere Erklärungen. Aber wir brauchen noch ein paar Jahre an Fermi-Beobachtungen, um es zu bestätigen“, sagt Clark.
Der neue Katalog enthält auch etwa ein Dutzend Kandidaten für mögliche Spinnensysteme. „Diese Objekte sehen Spinnenpulsaren sehr ähnlich, aber wir müssen ihr Pulsieren im Gammastrahlenbereich noch identifizieren“, erklärt Nieder. „Einige von ihnen könnten lohnende Ziele für Suchen mit Einstein@Home sein. Wir freuen uns darauf, weitere solche Pulsare zu entdecken, indem wir Beobachtungen von großen optischen Teleskopen nutzen, um die Rechenleistung von Einstein@Home gezielt einzusetzen.“
Fermi misst weiter und spürt neue Quellen von Gammastrahlen auf, und Hunderte von ihnen sind noch nicht identifiziert. Einige davon könnten neue Gammapulsare sein, die, wenn sie in der Zukunft entdeckt werden, ihren Weg in die nächste Version des Fermi-Katalogs für Gammapulsare finden.
