FERMI
Ein unsteter junger Pulsar
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
24. Juli 2012

Pulsare sind Neutronensterne, die sich mit hoher Geschwindigkeit um die eigene Achse drehen. Ein internationales Astronomenteam hat nun in den Daten des NASA-Weltraumteleskops Fermi ein ganz besonderes Exemplar aufgespürt. Es ist extrem jung, im Radiobereich nicht sichtbar und zeigte zudem einen deutlichen Ruck in der Drehbewegung.

Ein Gammapulsar ist ein rotierender Neutronenstern, der in seinem extrem starken Magnetfeld geladene Teilchen auf annähernd Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dabei entsteht unter anderem Gammastrahlung (violett) weit über der Oberfläche des kompakten Sternrests, während Radiowellen (grün) kegelförmig über den Magnetpolen ausgesendet werden. Bild: NASA / Fermi / Cruz de Wilde

 Pulsare sind Neutronensterne, die durch eine Supernova-Explosion entstanden sind und sich schnell und gleichmäßig um ihre eigene Achse drehen. Durch ihr intensives Magnetfeld strahlen sie kegelförmig Radiowellen oder Gammaphotonen ab. Ihre Rotation schwenkt die Kegel wie den Scheinwerfer eines Leuchtturms durchs All. Zielt der Neutronenstern dabei in Richtung Erde, so ist er als Pulsar sichtbar.

Nicht immer zeigt er sich allerdings gleichzeitig in mehreren Spektralbereichen, in einigen Fällen messen die Wissenschaftler nur das Blinken als Radiopulsar, in anderen lassen sich lediglich die periodischen Ankunftszeiten von Gammaphotonen registrieren. Solche Pulsare werden als reine Gammapulsare bezeichnet. Sie lassen sich sehr schwer identifizieren, denn ihre Eigenschaften wie etwa die Rotationsperiode und deren zeitliche Änderung sind unbekannt. Und auch ihre exakte Position am Himmel können die Astronomen aus den ursprünglichen Beobachtungen mit dem Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi nur näherungsweise bestimmen. Sie müssen daher die Existenz eines Pulsarsignals bei einer Vielzahl von Kombinationen dieser Eigenschaften in einer rechenzeitaufwändigen Blindsuche überprüfen. Eine versteckte Periodizität in den Ankunftszeiten der Gammaphotonen lässt sich so nur mit großem Aufwand aufspüren.

Auch Hochleistungs-Rechnersysteme geraten dabei schnell an ihre Grenzen. Doch die Forscher nutzten ursprünglich zur Analyse von Gravitationswellendaten entwickelte Algorithmen, um die Fermi-Daten besonders effizient zu durchsuchen. "Mithilfe neuer optimaler Suchmethoden und des Computerclusters ATLAS am Albert-Einstein-Institut (AEI) Hannover konnten wir viele bislang unentdeckte Signale aufspüren", sagt Bruce Allen, Direktor am AEI. So konnte Allens Team bereits im November 2011 die Entdeckung von neun neuen Fermi-Gammapulsaren verkünden, die allen vorherigen Suchen entgangen waren (astronews.com berichtete).

Nun machten die Wissenschaftler mit derselben Methode einen weiteren außergewöhnlichen Fund. Der Name des neu entdeckten Pulsars - J1838-0537 - ergibt sich aus seinen Himmelskoordinaten. "Der Pulsar ist mit einem Alter von 5.000 Jahren sehr jung. Er dreht sich rund siebenmal pro Sekunde um die eigene Achse und befindet sich am Himmel in Richtung des Sternbilds Schild", erläutert Holger Pletsch, Wissenschaftler in Allens Gruppe und Erstautor der jetzt in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Studie. "Nach der Entdeckung waren wir sehr überrascht, dass der Pulsar zuerst nur bis September 2009 sichtbar war. Danach schien er plötzlich zu verschwinden."

Erst mit einer aufwändigen Folgeanalyse kam ein internationales Wissenschaftlerteam um Pletsch dem Geheimnis von Pulsar J1838-0537 auf die Spur: Er verschwand nicht, sondern erfuhr einen Ruck (englisch "glitch"), nach dem er sich plötzlich um 38 Millionstel Hertz schneller drehte als zuvor. "Diese Differenz mag verschwindend klein erscheinen, doch es ist der größte jemals bei einem reinen Gammapulsar gemessene Glitch", weiß Allen.

Und dieser Glitch hatte Folgen. "Bereits nach acht Stunden geht dadurch in unserer Zählung eine komplette Umdrehung des Pulsars verloren und wir können nicht mehr feststellen, zu welcher Rotationsphase die Gammaphotonen den Detektor an Bord von Fermi erreichten", ergänzt Pletsch. Das Blinken des Neutronensterns werde auf diese Weise praktisch unsichtbar. Berücksichtigen die Forscher den Glitch und korrigieren die Rotationsänderung, taucht der Pulsar erneut in den Messdaten auf.

Die genaue Ursache der bei vielen jungen Pulsaren beobachteten Glitches ist bislang unbekannt. Astronomen ziehen Beben der Neutronensternkruste oder Wechselwirkungen des suprafluiden Sterninneren mit der Kruste als mögliche Erklärungen heran. "Eine große Zahl von vor allem starken Glitches bei Pulsaren zu erfassen, bietet eine Möglichkeit, mehr über den inneren Aufbau dieser kompakten Himmelskörper zu erfahren", sagt Lucas Guillemot, vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, der Zweitautor der Studie. "Das ist ein schönes Beispiel für die Zusammenarbeit zweier Max-Planck-Institute mit einander ergänzenden Forschungsschwerpunkten", so Michael Kramer, Direktor am MPIfR und Leiter der Forschungsgruppe "Radioastronomische Fundamentalphysik".

Nach der Entdeckung in den Daten des Fermi-Satelliten richteten die Forscher das Radioteleskop bei Green Bank im US-amerikanischen West Virginia auf die Himmelsposition des Gammapulsars. In einer fast zweistündigen Beobachtung sowie bei der Analyse einer weiteren einstündigen älteren Beobachtung der Quelle fanden sich keine Anzeichen von Pulsationen im Radiobereich: J1838-0537 ist demnach mit großer Wahrscheinlichkeit ein reiner Gammapulsar.

Auffällige Übereinstimmungen gab es hingegen mit Beobachtungen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia, das nach hochenergetischer Gammastrahlung aus den Tiefen des Alls sucht. Astronomen fanden in einer Durchmusterung mit H.E.S.S. nahe dem nun entdeckten Pulsar eine ausgedehnte Quelle solcher Strahlung, konnten deren Natur bisher nicht klären. Die Entdeckung des Pulsars legt nahe, dass es sich bei der H.E.S.S.-Quelle um einen Pulsarwind-Nebel handelt. Dieser wird von fast lichtschnellen Teilchen erzeugt, die der Pulsar in seinem extrem starken Magnetfeld beschleunigt. Da nun der genaue Ort des Pulsars bekannt ist, kann H.E.S.S. dies zukünftig berücksichtigen und eine höhere Messgenauigkeit als zuvor in dieser Himmelsregion erreichen.

Der ATLAS-Computercluster des Albert-Einstein-Instituts hat damit bereits bei der Entdeckung des zehnten zuvor unbekannten Gammapulsars geholfen, doch Allens Team hat inzwischen weitere Rechenkapazitäten mobilisiert. "Seit August 2011 läuft unsere Suche auch auf dem verteilten Rechenprojekt Einstein@Home, das eine vielfach höhere Rechenkraft als der ATLAS-Cluster hat. Wir sind sehr optimistisch, weitere außergewöhnliche Gammapulsare in den Fermi-Daten aufzuspüren", sagt Allen. Ziel der erweiterten Suche ist unter anderem die Entdeckung des ersten reinen Gammapulsars mit einer Rotationsperiode im Millisekundenbereich.