Einstein@Home entdeckt ersten nur im Gammalicht sichtbaren Millisekundenpulsar

 -  MPI für Radioastronomie
© Knispel/Clark/Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik/NASA/DOE/Fermi-LAT-Kollaboration
© NASA/Fermi/Cruz de Wilde

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.

„Wir haben diese zwei neuen Entdeckungen in unserer groß angelegten Gammapulsar-Durchmusterung mit Einstein@Home gemacht. Dieses Kunststück war nur möglich, weil wir neuartige und effizientere Suchmethoden, verbesserte Daten des Fermi Large Area Telescope (LAT), und die gewaltige Rechenleistung von Einstein@Home nutzen konnten“, sagt Dr. Colin Clark vom Jodrell Bank Centre for Astrophysics, Erstautor der nun in Science Advances erschienenen Veröffentlichung, der Doktorand am Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik war, als er die Entdeckungen machte. „Nachdem wir die zwei Millisekundenpulsare gefunden hatten, richteten wir ein großes Radioteleskop auf sie und erwarteten, pulsierende Radiostrahlung zu finden, wie es bei allen bis dahin bekannten Millisekundenpulsaren der Fall war. Zu unserer Überraschung blieb eines unserer neu entdeckten Objekte im Radiobereich vollkommen still.“

Dies beweist, dass diese „blinden“ Gammapulsar-Suchprojekte das Potenzial haben, eine bisher unbekannte Population von radiostillen Millisekundenpulsaren aufzuspüren. Diese könnten hinter weiteren nicht identifizierten Fermi-LAT-Quellen oder dem Gammastrahlenglühen aus der Richtung des Galaktischen Zentrums stecken.

 

In Supernova-Explosionen geboren

Neutronsterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen und bestehen aus exotischer und extrem dichter Materie. Sie haben einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern und haben mehr Masse als unsere Sonne. Aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Eigendrehung strahlen sie gerichtet Radiowellen und energetische Gammastrahlen ab – ähnlich einem kosmischen Leuchtturm. Wenn diese Strahlen während der Rotation des Neutronensterns in Richtung Erde zeigen, wird dieser als pulsierende Radio- oder Gammastrahlungsquelle sichtbar – als sogenannter Pulsar.

Millisekundenpulsare entstehen, wenn die Drehung eines Pulsars durch von einem Begleitstern aufgesammelte Materie beschleunigt wird. Das einströmende Material vom Partnerstern kann den Pulsar auf bis zu hunderte von Umdrehungen in einer einzelnen Sekunde beschleunigen. Nachdem diese Akkretionsphase endet, lässt sich der schnell rotierende Neutronenstern als Millisekundenpulsar beobachten.

 

Zwei neue Millisekundenpulsare

Die neue Veröffentlichung beschreibt die Entdeckung von zwei zuvor unbekannten Gammapulsaren, die nach ihren jeweiligen Himmelspositionen PSR J1035−6720 und PSR J1744−7619 heißen. Der erste von diesen beiden stadtgroßen Neutronensternen dreht sich jeder Sekunde schwindelerregende 348 Mal, der zweite 213 Mal. Nach der Entdeckung bestimmten die Forscher deren astrophysikalischen Parameter durch eine Neuanalyse der Fermi-Daten mit hoher Genauigkeit.

Diese verbesserten Parameter kamen dann zum Einsatz, um nach der pulsierenden Radiostrahlung der beiden Quellen in Archivdaten und in neuen Beobachtungen des Parkes-Radioteleskop zu suchen. Während PSR J1035−6720 sich als ungewöhnlich schwacher Radiomillisekundenpulsar zeigte, fand man überhaupt keine Radiowellen von PSR J1744−7619. Damit ist er der erste jemals entdeckte radiostille Millisekundenpulsar.

Eine verborgene Pulsarpopulation

Es ist möglich, dass die leuchtturmähnlichen Radiostrahlen von PSR J1744−7619 nicht in Richtung der Erde zeigen, die Gammastrahlen das hingegen tun. Die Wissenschaftler untersuchten diese Frage, indem sie die beobachtete Gammastrahlung mit theoretischen Modellen verglichen. Sie zeigten, dass die Modelle, die die Gammastrahlung gut beschreiben, ein nachweisbares Radiosignal vorhersagen. Dessen Abwesenheit bedeutet, dass PSR J1744−7619 entweder nur sehr schwach im Radiobereich strahlt oder dass die Modelle unvollständig sind.

Nach einigen Vorhersagen lässt sich der beobachtete Überschuss von energiereicher Gammastrahlung aus dem Zentralbereich der Milchstraße mit einer verborgenen Population von tausenden Millisekundenpulsaren erklären. Derzeitige große Radioteleskope könnten nur eine Handvoll von diesen nachweisen, aber Gammapulsar-Suchprogramme könnten bessere Chancen haben, eine deutlich höhere Anzahl von diesen Quellen nachzuweisen.

Einstein@Home sucht nach Gammapulsaren in Doppelsternsystemen

„Mit der Hilfe unserer Freiwilligen haben wir 152 nicht identifizierte pulsar-ähnliche Quellen aus dem Fermi-LAT-Katalog untersucht“, sagt Prof. Dr. Bruce Allen, Direktor von Einstein@Home und Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. „Wir haben gezeigt, dass 19 von diesen nicht nur wie Pulsare aussehen, sondern tatsächlich auch Pulsare sind und in einigen Fällen sogar noch sehr ungewöhnliche Objekte. Ich persönlich würde wetten, dass viele von den verbleibenden 133 auch Pulsare sind, die sich in Doppelsternsystemen befinden, wo sie schwieriger zu finden sind. Im Moment spürt Einstein@Home diesen Binärpulsaren nach und ich hoffe, dass wir bald einige finden werden.“

„Dies ist ein wundervolles Beispiel moderner Astrophysik: Wir nutzen die Expertise aus der Gravitationswellen-Astronomie, um Gamma-Daten clever zu analysieren und damit Quellen zu entdecken, die unser Wissen aus Radiobeobachtungen ergänzen. Großartig“, ergänzt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Leiter der dortigen Arbeitsgruppe „Radioastronomische Fundamentalphysik“ und Koautor der Veröffentlichung.

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