Nove strane nuove creature al Pulsar Zoo

MeerKAT rileva segnali cosmici con proprietà insolite

Pulsar da nove millisecondi, la maggior parte delle quali in sistemi binari rari e talvolta insoliti: questi sono i primi risultati di un’indagine mirata con la rete di telescopi sudafricani MeerKAT. Lo ha pubblicato oggi un team internazionale con la grande partecipazione di ricercatori del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) e del Max Planck Institute for Radio Astronomy. Hanno selezionato 79 fonti sconosciute come le pulsar dalle osservazioni fatte dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA e le hanno osservate in banda radio usando MeerKAT. La combinazione di questo metodo collaudato con una rete di telescopi di nuova generazione presenta chiari vantaggi rispetto alle indagini precedenti. Il team ha rilevato nove stelle di neutroni in rapida rotazione, la maggior parte con proprietà insolite. In due di questi oggetti sono stati rilevati impulsi di raggi gamma, analoghi ottici e raggi X provenienti da un altro sistema. Il team dietro questa pubblicazione ha anche cercato onde gravitazionali persistenti da una stella di neutroni. Questi risultati sottolineano l’importanza della ricerca di pulsar radio in cataloghi di sorgenti di raggi gamma non identificate. Questi dovrebbero fornire ulteriori approfondimenti: i ricercatori sono certi che le osservazioni future riveleranno molte più pulsar millisecondo.

“Per la nostra indagine trapum, abbiamo osservato una selezione di promettenti sorgenti simili a pulsar utilizzando MeerKAT, un radiotelescopio relativamente nuovo e molto sensibile, insieme a un software di analisi proprietario”, afferma Colin Clark, capogruppo presso il Max Planck Institute for Gravitational Physics. Albert-Einstein Institute) di Hannover e primo autore dello studio. “La ricompensa per i nostri sforzi è qualcosa di cui essere orgogliosi: abbiamo scoperto nove nuove pulsar millisecondo, alcune delle quali piuttosto insolite”.

Il team ha utilizzato un approccio collaudato per scoprire nuove pulsar di millisecondi: il catalogo del Fermi Large Area Telescope registra le sorgenti di raggi gamma rilevate dal Fermi Gamma-ray Space Telescope della NASA in otto anni di osservazioni. Questo catalogo contiene informazioni sulle posizioni delle sorgenti nel cielo, sulla distribuzione dell’energia dei raggi gamma e sui cambiamenti temporali nella luminosità dei raggi gamma. “Abbiamo utilizzato metodi di apprendimento automatico per determinare la probabilità che tutte le fonti nel catalogo Fermi che non sono associate a corpi celesti noti siano pulsar”, spiega Clark. “Questo è il modo in cui abbiamo identificato le sorgenti più simili a pulsar nel catalogo Fermi. Abbiamo quindi ristretto il nostro elenco a quelle che hanno maggiori probabilità di essere rilevate dalla nostra indagine. Abbiamo quindi osservato 79 pozzi utilizzando MeerKAT”.

MeerKAT offre una sensibilità senza precedenti nel cielo australe

MeerKAT è un array di 64 antenne paraboliche con un diametro effettivo di 13,5 metri ciascuna a Karoo in Sud Africa. MeerKAT offre una sensibilità senza precedenti ai corpi celesti nell’emisfero australe. È in grado di rilevare sorgenti cinque volte più deboli di quelle osservate dal secondo telescopio più sensibile nell’emisfero australe.

Il progetto MeerKAT Large Survey of Transient Stars and Pulsars (Trapum) usa questa sensibilità per cercare nuove pulsar nelle parti del cielo dove è più probabile che si trovino: ammassi globulari, galassie vicine, resti di supernova e — come questa sonda . Sorgenti sconosciute di raggi gamma. Ciò richiede lo sviluppo di computer speciali che raccolgono i dati dalle antenne MeerKAT in un grande radiotelescopio virtuale in grado di osservare contemporaneamente quasi 500 siti celesti ravvicinati.

Nel Trapum Survey delle sorgenti di Fermi, gli astronomi usano la sensibilità extra di MeerKAT per ridurre il tempo di osservazione a soli 10 minuti. Questo è molto più breve delle ore di osservazione precedentemente richieste per trovare le pulsar in queste fonti.

Le note brevi hanno diversi vantaggi: più fonti possono essere registrate in un tempo di osservazione limitato. Possono essere osservati più e più volte, il che aumenta la possibilità di individuare una nuova pulsar radio, poiché non sono sempre visibili quando vengono visti per la prima volta. L’indagine trapum pulsar includeva due osservazioni per ciascuna sorgente. L’analisi di osservazioni brevi è computazionalmente meno impegnativa dell’analisi di osservazioni più lunghe. Inoltre, il movimento orbitale nei sistemi stellari binari può complicare il rilevamento delle pulsar radio. In un breve periodo di osservazione, il movimento della pulsar è quasi costante, il che riduce al minimo l’effetto negativo del cambiamento del movimento orbitale.

Oltre all’elevata sensibilità, la rete del telescopio MeerKAT offre un altro vantaggio rispetto ai radiotelescopi con una singola antenna parabolica grazie alla sua ampia diffusione. MeerKAT può individuare il cielo per nuove fonti con altissima precisione. Ciò consente rapide scansioni di follow-up ad altre lunghezze d’onda.

Nove nuove pulsar millisecondo

La ricerca di pulsar con grandi quantità di dati generati durante le osservazioni di shock richiede una grande potenza di calcolo e un’elaborazione rapida per liberare memoria per ulteriori osservazioni.

“Abbiamo utilizzato metodi di analisi dei dati appositamente sviluppati in esecuzione su 120 GPU in un cluster di elaborazione proprietario per esaminare le nostre osservazioni MeerKAT. Abbiamo trovato rapidamente pulsar candidate da nove millisecondi, che siamo stati tutti in grado di confermare con ulteriori osservazioni MeerKAT”, afferma Iwan Parr. , capogruppo presso il Max Planck Institute for Radio Astronomy e project scientist per Trapum. “È straordinario che siamo stati anche in grado di utilizzare queste osservazioni di conferma per migliorare le posizioni del cielo, poiché MeerKAT è in grado di osservare contemporaneamente molte posizioni del cielo convergenti. Questo è inestimabile per gli studi di follow-up a diverse lunghezze d’onda”.

Un vicino sistema stellare binario costituito da una pulsar e una nana bianca

Quindi una delle pulsar rilevate, PSR J1526-2744, è stata esaminata in dettaglio. Dopo aver rilevato questa pulsar radio in un sistema stellare binario, i ricercatori hanno rilevato anche gli impulsi di raggi gamma della stella di neutroni. Con l’aiuto di tutti i dati Fermi disponibili, sono stati in grado di studiare in dettaglio il moto orbitale e determinare le proprietà del sistema stellare binario. Molto probabilmente, la stella di neutroni orbita attorno a un comune centro di massa con una nana bianca leggera in poco meno di cinque ore. Questo sarebbe uno dei periodi orbitali più brevi conosciuti per tali sistemi binari.

Il team ha anche cercato le cosiddette onde gravitazionali persistenti da PSR J1526-2744. Se la stella di neutroni fosse deformata, emetterebbe onde gravitazionali al doppio della frequenza di rotazione. I ricercatori hanno utilizzato tutti i dati LIGO avanzati pubblicamente disponibili dalle osservazioni O1, O2 e O3. Conoscendo con precisione il moto della pulsar nel sistema binario attraverso le osservazioni dei raggi gamma, il team di ricerca ha ottenuto la massima sensibilità possibile per la ricerca delle onde gravitazionali.

onde gravitazionali

Sebbene non abbiano osservato onde gravitazionali persistenti da PSR J1526-2744, sono stati in grado di misurare fino a che punto la stella di neutroni deviava dalla perfetta simmetria assiale. “Ora sappiamo che PSR J1526-2744 è davvero molto simmetrico. Abbiamo dimostrato che l’equatore di una stella di neutroni non può deviare da un cerchio completo di molto più del diametro di un capello umano”, afferma Anjana Ashok, dottoranda presso il gruppo di ricerca permanente indipendente Max Planck Onde gravitazionali continue” presso il Max Planck Institute for Gravitational Physics di Hannover. Ha guidato la ricerca delle onde gravitazionali.

Altre due pulsar, PSR J1036-4353 e PSR J1803-6707, sono tipici sistemi di pulsar composti da stelle di neutroni con stelle compagne che sono almeno un quarto della massa del nostro Sole. Queste pulsar distruggono le loro compagne prosciugandole nel tempo, in modo simile ai ragni rossi australiani, le cui femmine mangiano i maschi dopo l’accoppiamento.

Dopo aver determinato in modo rapido e accurato le posizioni delle pulsar attraverso le capacità uniche di MeerKAT, il team ha identificato le pulsar compagne nel catalogo stellare della missione Gaia Astrometry e le ha studiate nello spettro ottico utilizzando la fotocamera Ultracam sul New Technology Telescope dell’European Southern Observatory. Inoltre, hanno trovato una radiografia di PSR J1803-6707 nei dati del primo sondaggio completo di eRosita. I raggi X probabilmente provengono dal vento energetico della pulsar che si scontra con il materiale vaporizzato dalla compagna. È tipico dei sistemi Redback.

Le pulsar si nascondono nel catalogo

È difficile stimare il numero di pulsar non scoperte che si nascondono dietro sorgenti di Fermi simili a pulsar. Tuttavia, gli astronomi sono sicuri che le osservazioni future possano ancora rilevare pulsar di diversi millisecondi. L’elenco delle cose da osservare da vicino include già candidati che molto probabilmente sono pulsar. Tuttavia, finora non hanno mostrato onde radio pulsanti o raggi gamma in molti sondaggi. Nuovi telescopi, metodi di analisi e ripetuti tentativi di osservazione potrebbero un giorno dimostrare che sono, in effetti, pulsar. Man mano che il tempo di osservazione di Fermi continua ad aumentare, il catalogo delle sorgenti crescerà e emergeranno altre sorgenti simili a pulsar che diventeranno potenziali bersagli.

“I nostri risultati, che sono solo i primi di un’indagine Trapum sulle sorgenti di Fermi, mostrano davvero il grande potenziale di MeerKAT. Con MeerKAT e un software speciale, non solo possiamo rilevare nuove pulsar dal millisecondo, ma anche localizzarle in modo rapido e preciso, “, dice Clark. “Le osservazioni di MeerKAT sono di grande aiuto per il tracciamento di lunghezze d’onda multiple, la ricerca nel catalogo e le osservazioni future: in altre parole, le pulsar fanno dei millisecondi un dono che continua a donare”.