En internationell forskargrupp med medlemmar från Max Planck-institutet för gravitationsfysik (Albert Einstein-institutet; AEI) i Hannover har visat att en snabbt roterande neutronstjärna är kärnan i ett himlaobjekt som nu är känt som PSR J2039−5617. De använde nya dataanalysmetoder och den enorma beräkningskraften hos det medborgarvetenskapliga projektet Einstein@Home för att spåra neutronstjärnans svaga gammastrålningspulseringar i data från NASA:s Fermi Space Telescope. Deras resultat visar att pulsaren är i omloppsbana med en stjärnkompanjon ungefär en sjättedel av vår sols massa. Pulsaren avdunstar sakta men säkert denna stjärna. Teamet fann också att följeslagarens omloppsbana varierar något och oförutsägbart över tiden. Med hjälp av deras sökmetod, de förväntar sig att hitta fler sådana system med Einstein@Home i framtiden.

"Det hade misstänkts i flera år att det finns en pulsar, en snabbt roterande neutronstjärna, i hjärtat av källan vi nu känner som PSR J2039−5617, säger Lars Nieder, en Ph.D. student vid Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) i Hannover och medförfattare till studien som publicerades idag i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . "Men det var bara möjligt att lyfta slöjan och upptäcka gammastrålningspulseringarna med den datorkraft som donerats av tiotusentals frivilliga till Einstein@Home, " han lägger till.

Himmelsobjektet har varit känt sedan 2014 som en källa till röntgenstrålar, gammastrålar, och ljus. Alla bevis som hittills erhållits pekade på en snabbt roterande neutronstjärna i omloppsbana med en lättviktsstjärna i hjärtat av källan. Men tydliga bevis saknades.

Precisionsobservationer med optiska teleskop

Det första steget för att lösa denna gåta var nya observationer av stjärnkompanjonen med optiska teleskop. De gav exakt kunskap om det binära systemet utan vilket en gammastrålpulsarsökning (även med Einstein@Homes enorma datorkraft) skulle vara omöjlig.

Systemets ljusstyrka varierar under en omloppsperiod beroende på vilken sida av neutronstjärnans följeslagare som är vänd mot jorden. "För J2039-5617, det finns två huvudprocesser på jobbet, " förklarar Dr. Colin Clark från Jodrell Bank Center for Astrophysics, huvudförfattare till studien och tidigare Ph.D. student vid AEI Hannover. "Pulsaren värmer upp ena sidan av den lätta följeslagaren, som ser ljusare och mer blåaktig ut. Dessutom, följeslagaren förvrängs av pulsarens gravitationskraft vilket gör att stjärnans skenbara storlek varierar över omloppsbanan." Dessa observationer gjorde det möjligt för teamet att få den mest exakta mätningen som möjligt av binärstjärnans 5,5-timmars omloppsperiod, samt andra egenskaper hos systemet.

Söker med hjälp av tiotusentals frivilliga

Med denna information och den exakta himmelpositionen från Gaia-data, teamet använde den aggregerade beräkningskraften från det distribuerade frivilliga beräkningsprojektet Einstein@Home för en ny sökning av cirka 11 år av arkivobservationer av NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope. Förbättring av tidigare metoder som de hade utvecklat för detta ändamål, de tog hjälp av tiotusentals frivilliga för att söka efter Fermi-data efter periodiska pulsationer i gammastrålningsfotoner som registrerats av Large Area Telescope ombord på rymdteleskopet. Volontärerna donerade inaktiva beräkningscykler på sina datorers CPU:er och GPU:er till Einstein@Home.

Denna sökning krävde att man kammade mycket fint igenom data för att inte missa några möjliga signaler. Datorkraften som krävs är enorm. Sökandet skulle ha tagit 500 år att slutföra på en enda datorkärna. Genom att använda en del av Einstein@Home-resurserna gjordes det på 2 månader.

Med datorkraften donerad av Einstein@Home-volontärerna, teamet upptäckte gammastrålningspulseringar från den snabbt roterande neutronstjärnan. Denna gammastrålpulsar, nu känd som J2039−5617, roterar cirka 377 gånger varje sekund.

Överraskande förändringar av omloppsbanan

"Vi fann att följeslagarens omloppsperiod varierar något och oförutsägbart under de 11 åren. Den förändras bara med upp till cirka tio millisekunder, men eftersom vi vet ankomsttiden för varje enskild gammafoton från pulsar till mikrosekunders precision, även det här lilla är mycket!" säger Nieder. Dessa variationer av omloppsperioden kan kopplas till små förändringar i följeslagarens form orsakade av dess magnetiska aktivitet. På samma sätt som vår sol kan följeslagaren genomgå aktivitetscykler. De förändrade magnetfältet interagerar med plasman inuti stjärnan och deformerar den. När stjärnans form varierar förändras också dess gravitationsfält, vilket i sin tur påverkar pulsarbanan. Detta kan förklara de observerade variationerna i omloppsperioden.

"Spindelaktiga" pulsarer konsumerar sina kompisar

Medan den lätta stjärnkamraten kretsar runt pulsaren, den starka strålningen och partikelvinden från pulsaren förångar följeslagaren. "Detta är anledningen till att astronomer kallar system som detta för "redbacks" med hänvisning till de australiska redback-spindlarna vars honor konsumerar hanarna efter parning, " förklarar Nieder. I fallet med J2039−5617 bildar den materia som avlägsnats från stjärnan moln av laddade partiklar i det binära systemet som absorberar radiovågor. Detta är en av anledningarna till att tidigare sökningar efter pulserande radioemission från neutronstjärnan misslyckades. Med den exakta bestämningen av omloppsbanan från gammastrålningsdata, det var också möjligt att upptäcka radiopulseringar och detta kommer att publiceras i en separat tidning.

"Vi känner till dussintals liknande gammastrålningskällor som hittats av Fermi Space Telescope, för vilka den verkliga identiteten fortfarande är oklar, " säger Prof. Dr. Bruce Allen, direktör vid Max Planck Institute for Gravitational Physics i Hannover och direktör och grundare av Einstein@Home. "Många kan vara pulsarer gömda i binära system och vi kommer att fortsätta jaga efter dem med Einstein@Home, " han lägger till.