FERMI
Neun neue Gamma-Pulsare entdeckt
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
astronews.com
3. November 2011

Pulsare sind die Leuchttürme des Universums. Die schnell rotierenden Neutronensterne blinken im Radio- oder Gammawellenbereich mehrmals pro Sekunde auf. Reine Gammapulsare allerdings sind extrem schwer zu finden, da sie trotz der hohen Energie nur sehr wenige Photonen pro Zeiteinheit abstrahlen. Dank eines besseren Analyseverfahrens sind Astronomen jetzt aber trotzdem fündig geworden. Zudem entdeckten sie den bislang jüngsten Millisekundenpulsar.

Dank eines neuen Analyseverfahrens entdeckten Astronomen jetzt neun neue Gamma-Pulare in Fermi-Daten. Bild: NASA

 Pulsare, also schnell rotierende Neutronensterne, stellen die Astronomen noch immer vor so manches Rätsel. So geben sich beispielsweise nicht alle Radiopulsare 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 aber 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-Institut) 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. 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 konnten die Astrophysiker im Nachhinein auch Radiostrahlung feststellen. 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.

Bei der Suche wird zunächst 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.

Außer den neun neuen Gamma-Pulsaren entdeckten die Astronomen mit Fermi zudem noch Gammastrahlung von einem Millisekunden-Pulsar, der bereits im Radiobereich bekannt war. Das Besondere an dem Pulsar ist sein Alter: Er dürfte nur rund 25 Millionen Jahre alt sein, normallerweise sind Millisekunden-Pulsare rund eine Milliarde Jahre alt. Das Objekt, mit der Bezeichnung PSR J1823−3021A befindet sich im Kugelsternhaufen NGC 6624, der etwa 27.000 Lichtjahre entfernt im Sternbild Schütze liegt. Fermi hatte zuvor schon Gammastrahlung aus anderen Kugelsternhaufen entdeckt, bei der es sich allerdings um die kummulierte Strahlung vieler sehr schwacher Millisekundenpulsare handelte, die selbst Fermi nicht auflösen konnte.

Im Falle von PSR J1823−3021A ist das anders: "Es ist schon toll, dass die gesamte Gammastrahlung, die wir aus diesem Haufen registrieren von einem einzigen Objekt stammt", meint Paulo Freire vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. "Es muss erst vor kurzem entstanden sein. Es ist ein wenig so, als würde man ein schreiendes Baby in einem Altersheim finden." Kugelsternhaufen gelten als die ältesten Komponenten unserer Milchstraße. NGC 6624 ist rund zehn Milliarden Jahre alt.