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.

Aufbruch in unerforschtes Land

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 Large Area Telescope des NASA-Weltraumteleskops Fermi und künftige Gravitationswellen-Beobachtungen mit Advanced LIGO neue Fenster, um neue Pulsare auf völlig neue Weise zu entdecken und zu studieren.

Gammapulsare

Ein Gammapulsar ist ein kompakter Neutronenstern, der in seinem extrem starken Magnetfeld geladene Teilchen auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt. Dabei entsteht unter anderem Gammastrahlung (violett) weit über der Oberfläche des kompakten Sternrests, während Radiowellen (grün) kegelförmig über den Magnetpolen ausgesendet werden. Die Rotation schwenkt die Abstrahlungsgebiete über die irdische Sichtlinie und lässt den Pulsar so periodisch am Himmel aufleuchten.

Mit dem Large Area-Teleskop (LAT) 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.

Suchen nach Gammapulsaren stellen eine rechnerische Herausforderung dar. Lange Integrationszeiten werden benötigt, um das regelmäßige Pulsieren in den Ankunftszeiten der Gammaphotonen aufzuspüren. Sind die relevanten Pulsarparameter a priori nicht bekannt, ist der Rechenaufwand besonders hoch. 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 einer 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.

Eine Vielzahl an Entdeckungen

Mit diesen neuartigen am AEI Hannover entwickelten Suchmethoden wurden 39 zuvor unbekannte Gammapulsare entdeckt und folgende aufregende Ergebnisse erzielt:

Freiwilliges verteiltes Rechenprojekt findet in Daten des NASA-Weltraumteleskops Fermi einen schnell rotierenden Neutronenstern in einem exotischen Doppelsternsystem. mehr

Freiwilliges verteiltes Rechenprojekt Einstein@Home entdeckt Neutronenstern in außergewöhnlichem Doppelsternsystem mehr

Verbesserte Suchmethoden für die Zukunft

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.

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