En svart änka pulsar och dess lilla stjärnkamrat, ses inom deras omloppsplan. Kraftfull strålning och pulsarens "vind" - ett utflöde av högenergipartiklar - värmer starkt stjärnans motstående sida till temperaturer som är dubbelt så heta som solens yta. Pulsaren avdunstar gradvis sin partner, som fyller systemet med joniserad gas och hindrar astronomer från att upptäcka pulsarens radiostråle för det mesta. Kredit:NASA:s Goddard Space Flight Center/Cruz deWilde
En internationell forskargrupp ledd av Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) i Hannover har upptäckt att radiopulsaren J0952-0607 också sänder ut pulsad gammastrålning. J0952-0607 snurrar 707 gånger på en sekund och är tvåa i listan över snabbt roterande neutronstjärnor. Genom att analysera cirka 8,5 års data från NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope, LOFAR radioobservationer från de senaste två åren, observationer från två stora optiska teleskop, och gravitationsvågdata från LIGO-detektorerna, teamet använde en multi-budbärare för att studera pulsarens binära system och dess lätta följeslagare i detalj. Deras studie publicerad i Astrofysisk tidskrift visar att extrema pulsarsystem gömmer sig i Fermi-katalogerna och motiverar ytterligare sökningar. Trots att det är mycket omfattande, analysen väcker också nya obesvarade frågor om detta system.
Pulsarer är de kompakta resterna av stjärnexplosioner som har starka magnetfält och roterar snabbt. De sänder ut strålning som en kosmisk fyr och kan observeras som radiopulsarer och/eller gammastrålpulsarer beroende på deras orientering mot jorden.
Den snabbaste pulsaren utanför klothopar
PSR J0952-0607 (namnet betecknar positionen på himlen) upptäcktes först 2017 av radioobservationer av en källa som identifierats av Fermi Gamma-ray Space Telescope som möjligen en pulsar. Inga pulsationer av gammastrålar i data från Large Area Telescope (LAT) ombord på Fermi hade upptäckts. Observationer med radioteleskoparrayen LOFAR identifierade en pulserande radiokälla och tillät - tillsammans med optiska teleskopobservationer - att mäta vissa egenskaper hos pulsaren. Den kretsar runt det gemensamma masscentrumet på 6,2 timmar med en följeslagningsstjärna som bara väger en femtiondel av vår sol. Pulsaren roterar 707 gånger på en enda sekund och är därför den snabbaste snurrande i vår galax utanför de täta stjärnmiljöerna av klothopar.
Söker efter extremt svaga signaler
Genom att använda denna tidigare information om det binära pulsarsystemet, Lars Nieder, en Ph.D. student vid AEI Hannover, ge sig ut för att se om pulsaren också sänder ut pulserande gammastrålar. "Denna sökning är extremt utmanande eftersom Fermi gammastrålningteleskop endast registrerade motsvarande cirka 200 gammastrålar från den svaga pulsaren under de 8,5 åren av observationer. Under denna tid roterade själva pulsaren 220 miljarder gånger. Med andra ord, bara en gång på varje miljard varv observerades en gammastrålning!" förklarar Nieder. "För var och en av dessa gammastrålar, sökningen måste identifiera exakt när under var och en av de 1,4 millisekundsrotationerna den sänds ut."
Detta kräver att man kammar igenom data med mycket fin upplösning för att inte missa eventuella signaler. Datorkraften som krävs är enorm. Det mycket känsliga sökandet efter svaga gammastrålningspulseringar skulle ha tagit 24 år att slutföra på en enda datorkärna. Genom att använda Atlas-datorklustret på AEI Hannover blev det klart på bara två dagar.
En märklig första upptäckt
"Vår sökning hittade en signal, men något var fel! Signalen var väldigt svag och inte riktigt där den skulle vara. Anledningen:vår upptäckt av gammastrålar från J0952-0607 hade avslöjat ett positionsfel i de första optiska teleskopobservationerna som vi använde för att rikta vår analys. Vår upptäckt av gammastrålningspulseringarna avslöjade detta fel, " förklarar Nieder. "Detta misstag korrigerades i publikationen som rapporterade upptäckten av radiopulsar. En ny och utökad gammastrålsökning gjorde en ganska svag - men statistiskt signifikant - gammastrålpulsarupptäckt vid den korrigerade positionen."
Efter att ha upptäckt och bekräftat förekomsten av pulsad gammastrålning från pulsaren, teamet gick tillbaka till Fermi-data och använde hela 8,5 år från augusti 2008 till januari 2017 för att bestämma fysiska parametrar för pulsaren och dess binära system. Eftersom gammastrålningen från J0952-0607 var så svag, de var tvungna att förbättra sin tidigare utvecklade analysmetod för att korrekt inkludera alla okända.
Pulsprofilen (fördelning av gammastrålningsfotoner under en rotation av pulsaren) för J0952-0607 visas överst. Nedan visas motsvarande fördelning av de enskilda fotonerna under de tio åren av observationer. Gråskalan visar sannolikheten (fotonvikter) för enskilda fotoner att härröra från pulsaren. Från mitten av 2011, fotonerna radas upp längs spår som motsvarar pulsprofilen. Detta visar detektering av gammastrålpulseringar, vilket inte är möjligt före mitten av 2011. Kredit:L. Nieder/Max Planck Institute for Gravitational Physics
En annan överraskning:inga gammastrålningspulseringar före juli 2011
Den härledda lösningen innehöll en annan överraskning, eftersom det var omöjligt att upptäcka gammastrålningspulseringar från pulsaren i data från före juli 2011. Orsaken till varför pulsaren bara verkar visa pulseringar efter det datumet är okänd. Variationer i hur mycket gammastrålar den sänder ut kan vara en orsak, men pulsaren är så svag att det inte var möjligt att testa denna hypotes med tillräcklig noggrannhet. Förändringar i pulsarbanan som ses i liknande system kan också ge en förklaring, men det fanns inte ens en antydan i uppgifterna om att detta hände.
Optiska observationer väcker ytterligare frågor
Teamet använde också observationer med ESO:s New Technology Telescope på La Silla och Gran Telescopio Canarias på La Palma för att undersöka pulsarens följeslagare. Den är med största sannolikhet tidvattenlåst till pulsaren som Månen till jorden så att den ena sidan alltid är vänd mot pulsaren och värms upp av dess strålning. Medan följeslagaren kretsar kring det binära systemets masscentrum är dess varma "dag"-sida och svalare "nattsida" synliga från jorden och den observerade ljusstyrkan och färgen varierar.
Dessa observationer skapar en annan gåta. Medan radioobservationerna pekar på ett avstånd på ungefär 4, 400 ljusår till pulsaren, de optiska observationerna innebär ett avstånd som är ungefär tre gånger större. Om systemet var relativt nära jorden, den skulle ha en aldrig skådad extremt kompakt följeslagare med hög densitet, medan större avstånd är kompatibla med densiteterna för kända liknande pulsarkompanjoner. En förklaring till denna diskrepans kan vara förekomsten av stötvågor i vinden av partiklar från pulsar, vilket kan leda till en annan uppvärmning av följeslagaren. Fler gammastrålningsobservationer med Fermi LAT-observationer borde hjälpa till att svara på denna fråga.
Söker efter kontinuerliga gravitationsvågor
En annan grupp forskare vid AEI Hannover sökte efter kontinuerlig gravitationsvågemission från pulsaren med hjälp av LIGO-data från den första (O1) och andra (O2) observationskörningen. Pulsarer kan avge gravitationsvågor när de har små kullar eller gupp. Sökningen upptäckte inga gravitationsvågor, vilket innebär att pulsarens form måste vara mycket nära en perfekt sfär med de högsta stötarna mindre än en bråkdel av en millimeter.
Snabbt roterande neutronstjärnor
Att förstå snabbt snurrande pulsarer är viktigt eftersom de är sonder av extrem fysik. Hur snabbt neutronstjärnor kan snurra innan de går isär från centrifugalkrafterna är okänt och beror på okänd kärnfysik. Millisekunderpulsarer som J0952-0607 roterar så snabbt eftersom de har snurrats upp genom att materia samlas upp från sin följeslagare. Denna process tros begrava pulsarens magnetfält. Med de långsiktiga gammastrålningsobservationerna, forskargruppen visade att J0952-0607 har ett av de tio lägsta magnetfält som någonsin uppmätts för en pulsar, överensstämmer med förväntningarna från teorin.
"Vi kommer att fortsätta studera det här systemet med gammastrålning, radio, och optiska observatorier eftersom det fortfarande finns obesvarade frågor om det. Denna upptäckt visar också ännu en gång att extrema pulsarsystem gömmer sig i Fermi LAT-katalogen, " säger prof. Bruce Allen, Nieders Ph.D. arbetsledare och direktör vid AEI Hannover. "Vi använder också vårt medborgarvetenskapliga distribuerade datorprojekt Einstein@Home för att leta efter binära gammastrålpulsarsystem i andra Fermi LAT-källor och är säkra på att göra fler spännande upptäckter i framtiden."
