Einstein@Home entdeckt ersten nur im Gammalicht sichtbaren Millisekundenpulsar

Verteiltes Rechenprojekt findet zwei schnell rotierende Neutronensterne in Daten des Weltraumteleskops Fermi

Das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home aggregiert von zehntausenden Freiwilligen aus aller Welt gespendete Rechenleistung. In einer Durchmusterung des Himmels im Gammastrahlenbereich hat dieses Computernetzwerk nun zwei zuvor unbekannte schnell rotierende Neutronensterne in Daten des Weltraumteleskops Fermi entdeckt. Während alle anderen solchen Millisekundenpulsare auch mit Radioteleskopen beobachtbar sind, ist eine der beiden Entdeckungen der erste Millisekundenpulsar, der sich nur anhand seiner pulsierenden Gammastrahlung nachweisen lässt. Diese Erkenntnisse erwecken die Hoffnung, weitere neue Millisekundenpulsare zu finden, beispielsweise aus einer vorhergesagten großen Population solcher Objekte nahe dem Galaktischen Zentrum. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn haben eng zusammengearbeitet, um diese Entdeckungen zu ermöglichen.

Hintergrundinformation: Wer hat die Entdeckungen gemacht?

Zehntausende Einstein@Home-Freiwillige, die dem Projekt Rechenzeit gespendet haben, haben die Entdeckungen ermöglicht. Ohne sie hätte die Durchmusterung nicht durchgeführt werden und hätten diese Entdeckungen nicht gemacht werden können. Das Team dankt insbesondere den Freiwilligen, deren Computer die zwei Pulsare entdeckten, die in der Science-Advances-Publikation vorgestellt werden. (In den Fällen, wo der Name des Freiwilligen unbekannt oder privat ist, geben wir den Einstein@Home-Benutzernamen an.)

• PSR J1035−6720: “WSyS”; Kurt Kovacs aus Seattle Washington, USA; und der  ATLAS Cluster, AEI Hannover.
• PSR J1744−7619: Darrell Hoberer aus Gainesville, TX, USA; der ATLAS Cluster, AEI Hannover; Igor Yakushin aus Chicago, IL, USA und das LIGO Laboratory, USA; und Keith Pickstone aus Oldham, UK.

Hintergrundinformation: Einstein@Home im Überblick

Das Projekt für verteiltes Rechnen verbindet PC-Nutzer aus der ganzen Welt, die freiwillig brachliegende Rechenzeit ihrer Heim- und Bürocomputer und Smartphones zur Verfügung stellen. Mit mehr als 460.000 Teilnehmer*innen ist es eines der größten Projekte dieser Art. Die derzeitige Gesamtrechenleistung wird von 53.000 Computern und 33.000 aktiven Freiwilligen beigetragen und liegt bei rund 6,8 petaFLOPS. Sie würde Einstein@Home einen Platz unter den 15 schnellsten Rechner der Welt sichern.

Seit 2005 durchsucht Einstein@Home Daten der Gravitationswellendetektoren innerhalb der LIGO-Scientific- und Virgo-Kollaborationen nach Gravitationswellen von unbekannten, schnell rotierenden Neutronensternen. Ab März 2009 widmete sich Einstein@Home auch der Suche nach Signalen von Radiopulsaren in Beobachtungen des Arecibo-Observatoriums in Puerto Rico und des Parkes-Radioteleskops in Australien. Seit der ersten Entdeckung eines Radiopulsars im August 2010 mit Einstein@Home hat das weltweite Computernetzwerk insgesamt 55 Radiopulsare aus den Daten gefischt. Neu hinzugekommen ist im August 2011 eine Suche nach Gammapulsaren in den Daten des Fermi-Satelliten. Diese hat bislang 23 neue Gammapulsare entdeckt.

Wissenschaftlicher Träger sind das Center for Gravitation and Cosmology an der University of Wisconsin–Milwaukee und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, Hannover) mit finanzieller Unterstützung der National Science Foundation und der Max-Planck-Gesellschaft.

Hintergrundinformation: Die Gammapulsar-Durchmusterung von Einstein@Home

Mit der Hilfe von zehntausenden Freiwilligen aus aller Welt, die ungenutzte Rechenleistung auf ihren Computern zuhause für Einstein@Home spendeten, konnte das Team eine groß angelegte Durchmusterung durchführen. Insgesamt benötigte diese Suche eine Rechenzeit von rund 10.000 Jahren CPU-Kern-Zeit. Mit einem einzelnen Heim-PC hätte sie mehr als 1000 Jahre gedauert. Einstein@Home schaffte es binnen eines Jahres, obwohl nur ein Teil der Rechenleistung des Projekts dafür eingesetzt wurde.

Die Forschenden wählten aus 1000 unidentifizierten Qellen im Fermi-LAT Third Source Catalog ihre Ziele nach der Ähnlichkeit ihrer Energieverteilung der Gammastrahlung mit der von Pularen aus. Für jedes der 152 ausgewählten Objekte setzten sie neue hocheffiziente Methoden ein, um ein verstecktes Pulsieren in den registrierten Gammaphotonen zu entdecken.

Hintergrundinformation: Gammapulsare „blind“ entdecken

Dieses periodische Pulsieren von Gammapulsaren aufzuspüren ist sehr schwierig. Im Schnitt detektiert das Large Area Telescope (LAT) an Bord des Fermi-Satelliten nur 10 Photonen pro Tag von einem typischen Pulsar. Um das Pulsieren nachzuweisen, müssen Daten von vielen Jahren analysiert werden, während der sich der Pulsar mehrere zehn Milliarden Mal um die eigene Achse drehen kann. Für jedes einzelne Photon muss genau bestimmt werden, während welcher Phase der weniger als einer Sekunde dauernden Rotation es abgestrahlt wurde. So müssen die Astronomen Jahre überspannende Datensätze mit sehr feiner Auflösung durchkämmen, damit Ihnen kein Signal entgeht. Die Rechenleistung für diese „Blindsuchen“ – bei denen wenig bis keine Information über die Pulsare vorab bekannt ist – ist enorm.

Die neuen Methoden verbessern die Suchempfindlichkeit ohne die Rechenkosten dafür zu erhöhen. Sie bestehen aus einem Anfangsschritt, der empfindlicher als in allen vorigen Einstein@Home-Suchen nach Gammapulsaren ist. Dieser erste Schritt produziert eine große Zahl vielversprechender Kandidatensignale, die dann mit einem noch empfindlicheren zweiten Folgeschritt untersucht werden. Dieser zoomt auf den Kandidaten zu und verringert die Unsicherheit in den astrophysikalischen Parametern des Pulsars. Der letzte Untersuchungsschritt wird nicht auf Einstein@Home, sondern auf dem Großrechner Atlas am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover durchgeführt.

Vorherige ähnliche Blindsuchen spürten 37 Gammapulsare in Fermi-LAT-Daten auf. Einstein@Home macht sämtliche Entdeckungen mit Blindsuchen in den vergangenen fünf Jahren. Das Projekt hat so insgesamt 23 Gammapulsare entdeckt – mehr als ein Drittel aller in solchen Blindsuchen gefunden Objekte.