Gammapulsar-Suchen

Die Hauptforschungsthemen dieser Gruppe sind die rechenintensive Suche nach und die Untersuchung von Pulsaren – schnell rotierenden Neutronensternen – durch Gammastrahlung in bisher unzugänglichen Parameterräumen unter Verwendung effizienter Datenanalyse und leistungsfähiger Rechenressourcen.

Ein besonders spannender Aspekt liegt in Ausdehnung der Suche auf Parameter-Räumen, die bisher aufgrund des enormen Rechenaufwands unzugänglich waren. Dies zu erreichen erfordert die Entwicklung von effizienten Datenanalyse-Methoden und die Nutzung von großen Computerressourcen wie z.B. der Einstein@Home-Supercomputer, bei dem Freiwillige die Rechenzeit ihrer Heimcomputer zur Verfügung stellen.

Pulsare gehören zu den extremsten Objekten im Universum und zu bieten entscheidende Zugänge zu vielen Bereichen der fundamentalen Physik. Jedoch sind viele ihrer Details trotz jahrzehntelanger Beobachtung – hauptsächlich im Radiobereich – noch immer unzureichend verstanden. Heute eröffnet die Beobachtung von Gammastrahlung mit dem NASA-Weltraumteleskop Fermi und künftige Gravitationswellen-Beobachtungen mit Advanced LIGO neue Fenster, um neue Pulsare auf völlig neue Weise zu entdecken und zu studieren.

Gammapulsare

Mit dem Large Area-Teleskop an Bord des Fermi-Satelliten der NASA wurden zum ersten Mal Neutronensterne allein durch ihre periodische Gammastrahlung entdeckt. Viele dieser Sterne sind im Radiobereich unsichtbar. Während es kontinuierlich den Gammastrahlen-Himmel durchforstete, hat das LAT mehrere hundert nicht identifizierte Quellen katalogisiert, von denen viele Pulsare sein könnten. Das Entdecken neuer Pulsare und das Gewinnen neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse aus den LAT-Daten ist jedoch rechnerisch limitiert und mit konventionellen Methoden fast unmöglich.

Sogenannte blinde Suchen nach Gammapulsaren stellen eine rechnerische Herausforderung dar. Lange Integrationszeiten werden benötigt, um das regelmäßige Pulsieren in den Ankunftszeiten der Gammaphotonen aufzuspüren . Bei Blindsuchen nach Gammapulsaren sind die relevanten Pulsarparameter a priori nicht bekannt und müssen ausführlich abgesucht werden. Bei Beobachtungen über mehrere Jahre erfordert dies ein dichtes Netz über einen vieldimensionalen Parameterraum, mit einer gewaltigen Anzahl von Punkten, die individuell überprüft werden müssen.

Das gleiche rechnerische Problem tritt bei der blinden Suche nach kontinuierlichen Wellen in den Daten von interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren auf. Die Signale haben das gleiche Phasenmodell und den gleichen Parameterraum und erstrecken sich in beiden Fällen über mehrere Jahre. Dies hat die Übertragung und Übernahme von Gravitationswellen-Methoden zur Suche nach neuen Gammapulsaren in von LAT-Daten motiviert.

Das außergewöhnliche Pulsarsystem PSR J1311-3430 mit dem ersten Millisekundenpulsar, der allein anhand seiner leuchtturmähnlichen Gammastrahlen-Emission (magenta) entdeckt wurde. Das Rekord-Pulsarsystem ist so klein, dass es vollständig in unserer Sonne Platz fände. Die schematische Darstellung zeigt die Sonne, die Umlaufbahn des Begleiters und dessen maximale Größe im korrekten Maßstab; der Pulsar dagegen wurde stark vergrößert.

© SDO/AIA (Sonne), AEI

Mit diesen neuartigen am AEI Hannover entwickelten Suchmethoden wurden bis jetzt folgende aufregende Ergebnisse erzielt:

Die Entdeckung von 23 zuvor unbekannten Gammapulsaren, darunter
die Entdeckung von gepulster Gammastrahlung vom Pulsar mit der zweitschnellsten Eigendrehung,
der erste im Radiobereich unsichtbare Millisekundenpulsar,
PSR J1838-0537, der den größten Glitch aufweist, der bisher in einem Gammapulsar beobachtet wurde. Die Entdeckung von Pulsaren erklärt auch eine bisher bekannte TeV-Quelle, die offenbar den Nebel darstellt, der vom Pulsar angeregt wird.
der erste Millisekunden-Pulsars J1311-3430 anhand seiner Gammastrahlung. Dieser Pulsar ist auch Teil eines rekordbrechenden Binärsystems mit einer Umlaufzeit von nur 94 Minuten, der kürzesten je beobachteten Umlaufzeit.

Heutzutage sind hunderte von LAT-katalogisierten Quellen noch nicht identifiziert, und es werden immer mehr. Einige davon könnten neue Arten von Gammastrahlen-Pulsaren sein. Ihre Entdeckung könnte eine Erweiterung und Verbesserung von Suchmethoden erfordern, wie sie in der GW-Astronomie üblich sind. Zusätzlich zu verbesserten Suchmethoden sind die rechnerischen Mittel für diese Suche bedeutend durch die Verwendung des freiwilligen Rechenprojekts Einstein@Home erweitert.

Alles in allem gibt die beispiellose Suchempfindlichkeit aus der Kombination dieser Fortschritte berechtigte Hoffnung auf weitere Gammapulsar-Entdeckungen.