Neun neue Gammapulsare

Entdeckung in den Daten des Fermi-Teleskops gelingt dank Analysemethode aus der Gravitationswellenforschung

3. November 2011

Pulsare gelten als Leuchttürme im All. Diese kompakten und schnell rotierenden Neutronensterne blinken im Radio- oder Gammawellenbereich mehrmals pro Sekunde auf. Reine Gammapulsare sind extrem schwer zu finden, da sie trotz der hohen Energie nur sehr wenige Photonen pro Zeiteinheit abstrahlen. Mit einem verbesserten Analysealgorithmus haben nun Max-Planck-Wissenschaftler in internationaler Kooperation eine Reihe bisher unbekannter und besonders leuchtschwacher Gammapulsare in den Daten des Satellitenobservatoriums Fermi aufgespürt. Damit hat sich deren Anzahl auf mehr als 100 erhöht.

Die kosmischen Leuchtfeuer stellen die Astronomen noch vor manches Rätsel. So etwa geben sich nicht alle Radio- auch als Gammapulsare zu erkennen; und umgekehrt strahlen nicht alle Gammapulsare auch im Radiofrequenzbereich. Eine plausible Erklärung ist eine unterschiedliche Breite der Lichtkegel in den verschiedenen Wellenlängenbereichen. Während die energieärmere Radiostrahlung an den Magnetfeldpolen eines Neutronensterns enger gebündelt wird, fächert sich der Lichtkegel aus hochenergetischer Gammastrahlung weiter auf.

Je nach räumlicher Orientierung und Intensität des Strahlenkegels lässt sich der Stern dann als Radio- oder Gammapulsar beobachten. Es existieren aber auch alternative Modelle. Um die tatsächliche Ursache zu klären, ist es notwendig, eine möglichst große Stichprobe dieser Objekte zu untersuchen.
Auf der Suche nach reinen Gammapulsaren tappen die Astrophysiker zunächst sprichwörtlich im Dunkeln. Ein typischer Pulsar dreht sich mehrfach pro Sekunde – mindestens 100 Millionen Mal pro Jahr – um die eigene Achse. Entsprechend häufig durchkreuzt sein Lichtkegel die Blickrichtung des Beobachters.

Das Large Area Telescope auf dem Nasa-Satelliten Fermi empfängt von einem Gammapulsar im Schnitt aber nur wenige Tausend Photonen jährlich. Bei einer derart niedrigen Rate ist es auch mit modernsten Hochleistungs-Rechensystemen eine große Herausforderung, die Gammaquanten einem unbekannten Pulsar mit wohldefinierter Rotationsperiode zuzuordnen.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik/Albert-Einstein-Instituts in Hannover, der Leibniz Universität Hannover und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn haben in den vergangenen Monaten in einer internationalen Kooperation Daten des Large Area Telescope analysiert und mit einer besonders effizienten Methode neun Pulsare identifiziert, die bis dahin unsichtbar waren.

„Um diese Aufgabe zu bewältigen, haben wir einen hierarchischen Algorithmus verwendet, den wir zunächst für die Suche nach Gravitationswellen entwickelt hatten”, erklärt Bruce Allen, Direktor am Albert-Einstein-Institut und Professor am Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Die Datenanalyse ist ähnlich aufregend und mühsam, wie nach Gold zu graben: Sie vermuten, dass es etwas zu finden gibt, aber Sie wissen nicht genau, wo”, so Allen.

Neun neue Fermi-Pulsare (magenta) konnten dank neuer und effizienterer Analysemethoden, die ursprünglich für die Suche nach Gravitationswellen entwickelt wurden, in den LAT-Daten aufgespürt werden. Mit diesen neuen Funden hat Fermi mehr als 100 Gammapulsare entdeckt.

Die neun neuen Pulsare, die den Wissenschaftlern jetzt ins Netz gingen, geben weniger Gammastrahlung ab als die bisher bekannten und drehen sich drei bis zwölf Mal pro Sekunde um die eigene Achse. Nur bei einem dieser Pulsare maßen die Astrophysiker im Nachhinein auch Radiostrahlung. Insgesamt hat sich damit die Anzahl der mit Fermi detektierten Gammapulsare auf mehr als 100 erhöht.

Etwa drei Viertel der bisher mit dem Satelliten beobachteten Gammapulsare waren bereits als Radiostrahler bekannt. In solchen Fällen ist die Suche nach zusätzlicher Gammastrahlung recht einfach: Himmelsposition, Rotationsperiode und Rotationsänderung eines Pulsars lassen sich aus den Radiodaten ableiten. In wenigen Rechenschritten lässt sich dann überprüfen, ob die detektierten Gammaquanten zu diesen Parametern passen oder nicht.

Umso aufwendiger gestaltet sich eine Blindsuche. Dabei sind weder Position noch Pulsperiode und deren zeitliche Änderung bekannt. Zunächst wird jedem einzelnen Photon eines Beobachtungsausschnitts eine bestimmte Wahrscheinlichkeit für eine Himmelsposition zugeordnet.

Ist aus einer groben Himmelsrichtung eine signifikante Häufung von Gammaquanten erkennbar, überprüfen die Wissenschaftler, ob die Ankunftszeiten der Photonen im Detektor an Bord von Fermi mit einer exakten Himmelsposition, Pulsationsperiode und deren zeitlichen Änderung übereinstimmen. Bei nur wenigen Tausend Photonen, gemessen über einen Zeitraum von drei Jahren, aber Rotationsfrequenzen von einigen Hertz, müssen die Forscher eine große Anzahl an Möglichkeiten durchtesten.

Bei einer ersten Blindsuche in den Fermi-Daten hatten die Astronomen innerhalb des ersten Jahres nach dem Start des Satelliten 24 reine Gammapulsare gefunden, im darauf folgenden Jahr zwei weitere. Seitdem stagnierte ihre Anzahl – bis sich die Hannoveraner Physiker mit einem zehnfach effizienteren Algorithmus und erweiterten Rechenkapazitäten auf die Suche machten. Dabei fanden sie neun weitere Gammapulsare, die im Vergleich zu den bisher bekannten reinen Gammapulsaren durchschnittlich etwa viermal weniger Photonen aussenden.

Dabei untersuchten die Bonner Max-Planck-Kollegen, ob sich die jeweiligen Gammaquellen aufgrund ihres Energiespektrums für die Blindsuche nach Gammapulsaren eignen. „Rund ein Drittel der mit dem Large Area Telescope beobachteten Gammaquellen waren vor dem Start von Fermi noch nicht bekannt“, sagt Lucas Guillemot, Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe von Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Wir haben die Energieverteilung dieser Quellen untersucht und diese mit bekannten Gammapulsaren verglichen.“

Die nach diesen Kriterien für eine Blindsuche nach Gammapulsaren geeigneten Kandidaten wurden nun weiter im Detail analysiert. „Mit unserer neuen Rechenmethode lassen sich vergleichbare Datensätze erheblich effizienter auswerten als zuvor”, erklärt Holger Pletsch, Wissenschaftler in Bruce Allens Arbeitsgruppe, der federführend an der Studie beteiligt ist. Zudem lief die Analyse am ATLAS-Computercluster des Albert-Einstein-Instituts. Im Vergleich zu vorherigen Blindsuchen verfügt ATLAS über eine hundertfache Rechenleistung.

„Im Zusammenspiel mit der effizienteren Analyse bedeutet das nicht nur, dass wir die Daten nun schneller untersuchen können. Wir haben nun auch erstmals die Möglichkeit, nach noch rascher rotierenden Gammapulsaren zu suchen, deren Periode im Millisekundenbereich liegt”, sagt Pletsch. Denn die notwendige Rechenzeit nimmt mit steigender Rotationsperiode zu, und zwar etwa mit der dritten Potenz.

Seit kurzem wird zusätzlich ein Teil der Rechenkapazität des Projekts für verteiltes Rechnen – Einstein@Home – zur Suche nach dem ersten reinen Gamma-Millisekundenpulsar verwendet. Eine solche Entdeckung wäre ein entscheidender Beitrag zum besseren Verständnis von Pulsaren.

Bilder und Zusatzinformationen auf der nächsten Seite (englisch)

Leuchttürme im All – Pulsare sind faszinierende Himmelskörper mit einer interessanten Geschichte.

Pulsars are the lighthouses of the universe. These compact and fast-rotating neutron stars flash many times per second in the radio or gamma-ray band. Pure gamma-ray pulsars are extremely difficult to find despite their high energy because they radiate very few photons per unit of time. Using an improved analysis algorithm, scientists from the Max Planck Society and international partners now discovered a set of previously unknown gamma-ray pulsars with low luminosity in data from the Fermi satellite. These pulsars had been missed using conventional methods. The number of known gamma-ray pulsars has thus grown to over 100. (The paper will be published in the Astrophysical Journal.)

Images and Multimedia in Support of the News Conference

Presenter 3: Bruce Allen, director, Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hannover, Germany, and of the Einstein@Home project

Visual 9

Neun neue Fermi-Pulsare (magenta) konnten dank neuer und effizienterer Analysemethoden, die ursprünglich für die Suche nach Gravitationswellen entwickelt wurden, in den LAT-Daten aufgespürt werden. Mit diesen neuen Funden hat Fermi mehr als 100 Gammapulsare entdeckt.

Visual 10

Diese Animation veranschaulicht, wie die Analyse von Fermi-Daten neue Pulsare aufspürt. Fermis Large Area Telescope (LAT) zeichnet die genaue Zeit und Position der von ihr detektierten Gammaphotonen auf, aber die Identifizierung eines Pulsars erfordert zusätzliche Informationen – seine Position am Himmel, seine Pulsperiode und die Art und Weise, wie sich der Puls mit der Zeit verändert. Darüber hinaus weist selbst das empfindliche LAT von Fermi nur wenige Gammaphotonen von diesen Objekten nach – nur ein Photon pro 100.000 Umdrehungen. Das Hannoveraner Team verwendete neue Methoden für eine sogenannte Blindsuche, bei der Computer viele verschiedene Kombinationen von Position und Periode mit den 8.000 Photonen verglichen werden, die Fermis LAT während seiner dreijährigen Umlaufbahn gesammelt hat. Wenn sich die Photonen aus den Pulsen zeitlich ausrichten, wurde ein neuer Gammastrahlen-Pulsar entdeckt.

Visual 11

Die Pulsar-Kandidaten aus der Blindsuche wurden mit Hilfe des Computing-Clusters Atlas am Albert-Einstein-Institut in Hannover eingehend analysiert. Atlas ist so leistungsfähig wie 3.500 typische Heimcomputer und bringt etwa hundertmal mehr Rechenleistung zum Einsatz als bei früheren Blindsuchen.

Visual 12

Seit 2005 nutzt das verteilte Computerprojekt Einstein@Home ungenutzte Rechenzeit auf den Desktop-Computern von Tausenden von Freiwilligen, um nach Gravitationswellen und Pulsaren in den Radiodaten zu suchen. Im Juli begannen die Benutzer von Einstein@Home “Arbeitseinheiten” von Fermi LAT zu erhalten, um nach Gammapulsaren zu suchen.
Abb. 9a
Abb. 9b

Phase-time diagram and pulse profile for gamma-ray pulsar J2028+3332. Panel 9a shows the pulse phase (rotation angle of the star about its axis) at the arrival time of each photon. The gray-scale intensity represents the photon probability weight. In panel 9b, the upper plot shows the summed probability weights: the pulse profile. The four plots below resolve the pulse profile according to separate energy ranges. For clarity, the horizontal axis shows two pulsar rotations in each diagram.

Himmelspositionen der neun Gammapulsare (Pletsch et al., ApJ) mit Illustrationen der Sternbilder im Hintergrund.

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