Pulsare

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

Aufbruch in unerforschtes Land

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 noch immer unzureichend verstanden.

Wir dehnen die Suche nach Neutronensternen auf Parameterbereiche aus, die bisher aus rechnerischen Gründen unzugänglich waren. Dies erfordert die Entwicklung effizienter Datenanalyse-Methoden und die Nutzung leistungsfähiger Computerressourcen, wie beispielsweise das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home. Wir adaptieren und verbessern Methoden der Suchen nach Gravitationswellen für unsere Gamma- und Radiosuchen. Zudem untersuchen wir untersuchen unsere Entdeckungen bei verschiedenen Wellenlängen und mit Gravitationswellen.

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.

Pulsare wurden bisher hauptsächlich im Radiobereich beobachtet. Jetzt bieten Gammastrahlenbeobachtungen mit dem Fermi Large Area Telescope (LAT) der NASA noch nie dagewesene Möglichkeiten zur Entdeckung und Untersuchung neuer Pulsare. Dank des LAT können Neutronensterne nun allein anhand ihrer periodischen Gammastrahlenpulsationen nachgewiesen werden. Viele von ihnen sind im Radiobereich unsichtbar. Bei der Durchmusterung des Gammastrahlenhimmels hat das LAT mehrere hundert unbekannte Quellen katalogisiert, von denen viele vermutlich Pulsare sind.

Die Entdeckung neuer Pulsare und das Gewinnen wissenschaftlicher Erkenntnisse aus den LAT-Daten ist durch die zur Verfügung stehende Rechenleistung begrenzt und mit herkömmlichen Methoden fast unmöglich. Lange Integrationszeiten sind erforderlich, um regelmäßige Pulsationen in den Ankunftszeiten der Photonen zu erkennen. Wenn die relevanten Pulsarparameter im Vorhinein unbekannt sind, müssen sie explizit bestimmt werden. Bei Beobachtungen, die sich über mehrere Jahre erstrecken, erfordert dies ein dichtes Gitter, das einen mehrdimensionalen Parameterraum abdeckt, mit einer enormen Anzahl von Punkten, die einzeln überprüft werden müssen.

Dies ähnelt der rechnerischen Herausforderung beim Nachweis kontinuierliche Gravitationswellen, und hat die Übertragung und Modifikation von Gravitationswellenmethoden für die Analyse von LAT-Daten zur Suche nach neuen Gammapulsaren motiviert.

Die Identifikation von Gammapulsaren in Doppelsternsystemen ist eine noch größere rechnerische Herausforderung. Um eine gezielte Einstein@Home-Suche nach Gammapulsaren in Doppelsternsystemen zu ermöglichen, arbeiten wir mit dem Jodrell Bank Centre for Astrophysics an optischen Beobachtungen von „Schwarze-Witwe“ und „Redback“-Kandidatensystemen zusammen.

Radiopulsare

Mit Einstein@Home auf Android-Geräten kann man nun „nach den Sternen greifen“ und neue Radiopulsare entdecken.

Während die meisten Neutronensterne als Radiopulsare entdeckt wurden und werden, ist es weitaus schwieriger, sie in Doppelsternsystemen mit kurzen Umlaufzeiten zu finden. Aber selbst eine einzige solche Entdeckung würde sich wissenschaftlich sehr auszahlen, weil sie neue grundlegende Tests der Physik und Untersuchungen der Sternentwicklung ermöglichen würde.

Mit Methoden, die von der Gravitationswellen-Datenanalyse inspiriert sind, sucht unsere Gruppe mit Einstein@Home in den Daten des PALFA-Konsortiums nach solchen sehr kurzperiodischen Doppelsternsystemen. Wir planen, diese Suche auszuweiten und auch Daten der neuesten Generation von Radioteleskopen wie FAST und MeerKAT zu nutzen.

Unsere Gruppe ist Mitglied der Kollaboration „Transients and Pulsars with MeerKAT“. Wir suchen nach neuen Radiopulsaren in unidentifizierten Quellen von Gammastrahlung und nach Gammastrahlenpulsationen von neu entdeckten Radiopulsaren.

Kontinuierliche Gravitationswellen

Wir arbeiten mit der Gruppe Suchen nach kontinuierlichen Gravitationswellen an unserem Institut zusammen. Wir stellen Ephemeriden von Gamma- und Radiopulsaren für die gezielte Suche nach Gravitationswellen dieser Neutronensterne zur Verfügung.

Eine Vielzahl an Entdeckungen

Mit diesen neuartigen am AEI Hannover entwickelten Suchmethoden wurden 39 zuvor unbekannte Gammapulsare und 55 neue Radiopulsare 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 Quellen im LAT-Katalog noch nicht identifiziert, und es werden immer mehr. Einige davon könnten neue Arten von Gammapulsaren sein. Ihre Entdeckung könnte eine Erweiterung und Verbesserung von Suchmethoden erfordern. Das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home erweitert die Ressourcen für diese Suche bedeutend.

Neue Radioteleskope werden tiefere und empfindlichere Beobachtungen des Radiohimmels ermöglichen. Unsere Methoden werden zur Entdeckung neuer Radiopulsare in der wachsenden Datenmenge beitragen.

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