Dziewięć nowych pulsarów gamma

Dziewięć nowych pulsarów gammaOriginal Press Release
Pulsary to latarnie morskie Wszechświata.

Nowa metoda obliczeniowa pozwala nam ocenić zbiory danych znacznie szybciej niż dotąd. Razem z bardziej efektywną metodą analizy, oznacza to, że nie tylko możemy o wiele szybciej analizować dane, ale możemy też szukać pulsarów gamma, które obracają się szybciej – z okresami mierzony w milisekundach

 Holger Pletsch

Te kosmiczne latarnie to wciąż obiekty zagadkowe: nie wszystkie pulsary radiowe emitują promieniowanie gamma, az drugiej strony, nie wszystkie  pulsary gamma są widoczne w paśmie radiowym. Możliwym wyjaśnieniem jest różnej szerokości stożek promieniowania dla różnych zakresów fal. Może to być spowodowane odmiennym rozmieszczeniem obszarów emisji o różnych długościach fal. Niosące mniej energii fale radiowe są ściślej powiązane z biegunem magnetycznym pola gwiazdy neutronowej, podczas gdy stożek wysokiej energii promieni gamma jest znacznie szerszy. W zależności od orientacji przestrzennej i intensywność stożka, pulsar będzie obserwowany jako pulsar radiowy lub /i pulsar gamma. Istnieją także alternatywne modele wyjaśniające to zjawisko. W celu ustalenia, który jest poprawny należy zbadać jak najwięcej źródeł promieniowania.

Poszukiwania pulsarów emitujących wyłącznie w paśmie gamma dosłownie zaczyna się badań „w ciemno”. Typowy pulsar obraca się kilka razy na sekundę, lub co najmniej 108 razy w roku. Zatem region emisji będzie skierowany w stronę obserwatora z taką częstotliwości. Teleskop LAT (Large Telescope Area) obserwatorium NASA Fermi wykrywa jenak średnio tylko kilka tysięcy fotonów rocznie wyemitowanych przez dany pulsar gamma. Ten niski wskaźnik wykrywalności sprawia, że nawet najszybsze superkomputery świata mają trudności z przypisaniem poszczególnych kwantów gamma do nieznanych pulsarów o określonych okresach rotacji.

Przez kilka miesięcy, naukowcy z Instytutu Fizyki Grawitacyjnej Maxa Plancka (Albert Einstein Institute/AEI) w Hanowerze, Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze oraz Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka w Bonn analizowali dane z LAT wraz z naukowcami z innych krajów. Dzięki użyciu nowej metody analizy, zespół był w stanie zidentyfikować dziewięć nowych pulsarów, które dotąd pozostawały niewidzialne.

„Użyliśmy nowego rodzaju algorytmu hierarchicznego, który pierwotnie został opracowany do poszukiwania fal grawitacyjnych „- wyjaśnia prof. Bruce Allen, dyrektor AEI. -„To przypominało poszukiwanie diamentów lub złota.”

Dziewięć nowych pulsarów odnalezionych przez naukowców emituje mniej promieniowania gamma niż wcześniej znane i wiruje od trzech do dwunastu razy na sekundę. Tylko jeden z nich udało się później powiązać ze źródłem emisji fal radiowych. Całkowita liczba pulsarów gamma odkrytych przez teleskop Fermi wzrosła w ten sposób do ponad 100.

Mniej więcej 75% pulsarów gamma obserwowanych dotąd przez teleskop Fermi wcześniej zidentyfikowano jako pulsary radiowe. W takich przypadkach odkrycie dodatkowego promieniowanie gamma jest stosunkowo łatwe. Położenie na niebie, okres rotacji i oraz szybkości zmiany tego okresu uzyskuje się na podstawie danych radiowych, zatem ustalenie czy wykryte kwanty gamma pasują do wcześniej znanego zestawu parametrów zajmuje jedynie kilka dodatkowych obliczeń.

Ślepe poszukiwania są znacznie bardziej skomplikowane, bowiem ani miejsce, ani czas rotacji ani tempo jego zmiany w czasie nie są znane. Na początek każdemu fotonowi z danego sektora obserwacji przypisane zostaje pewne prawdopodobieństwo dla pozycji na niebie. Jeśli znaczna liczba  kwantów gamma pojawia się ze z grubsza tego samego kierunku na niebie, naukowcy sprawdzają, czy czasy przybycia fotonów do sensorów Fermi pasują do pozycji na niebie, okresu rotacji i jego zmian w czasie. Jednak przy tylko kilku tysiącach fotonów wykrytych w okresie trzech lat, przy  częstotliwościach obrotu kilku Hz, konieczne jest zbadania ogromnej liczby potencjalnych źródeł.

Podczas pierwszego ślepego testowania danych Fermi, astronomowie odkryli 24 pulsarów emitujące wyłącznie w paśmie gamma w ciągu roku od uruchomienia satelity w 2008 roku. Kolejne dwa zostały odkryte w roku następnym. W następnych latach liczba nie odkrywano nowych pulsarów aż do czasu kiedy fizycy z Hanoweru rozpoczęli poszukiwania z zastosowaniem algorytmu, który jest 10 razy bardziej wydajny. Dodatkowo wykorzystano dodatkowe moce obliczeniowe. Naukowcy odkryli dziewięć pulsarów gamma, emitujących średnio tylko jedną czwartą fotonów wcześniej odkrytych pulsarów.

Kandydaci na ślepego poszukiwania pulsarów gamma zostali następnie szczegółowo zbadani. „Nowa metoda obliczeniowa pozwala nam ocenić zbiory danych znacznie szybciej niż dotąd „- mówi  Holger Pletsch, członek grupy Allena kierujący badaniami. Do analizy wykorzystano klaster ATLAS  w AEI w Hanowerze. ATLAS ma sto razy większą moc obliczeniową, niż komputery które były używane w poprzednich poszukiwaniach. „Razem z bardziej efektywną metodą analizy, oznacza to, że nie tylko możemy o wiele szybciej analizować dane, ale możemy też szukać pulsarów gamma, które obracają się szybciej – z okresami mierzony w milisekundach.” Bowiem potrzebna do poszukiwania moc obliczeniowa rośnie proporcjonalnie do sześcianu okresu badanych rotacji.

Dodatkowo, część mocy obliczeniowej projektu [email protected] projekt jest obecnie przeznaczona do poszukiwanie pulsarów milisekundowych emitujących wyłącznie w paśmie gamma. Odkrycie ich będzie miało znaczący wkład w poznanie pulsarów.

Źródła:

Nine new gamma pulsars

Pulsars are the lighthouses of the universe. These compact and fast-rotating neutron stars flash many times per second in the radio or gamma-ray band. Pure gamma-ray pulsars are extremely difficult to find despite their high energy because they radiate very few photons per unit of time. Using an improved analysis algorithm, Max Planck scientists and international partners have now discovered a number of previously unknown gamma-ray pulsars with low luminosity in data from the Fermi satellite. These pulsars had been missed using conventional methods. The number of known gamma-ray pulsars has thus grown to over 100.

These cosmic beacons still pose a few puzzles for scientists: not all radio pulsars can be identified as gamma-ray pulsars and, on the other hand, not all gamma-ray pulsars are „visible” in the radio band. A plausible explanation is the varying width of the light cone over the wavelength range. This may be because emissions at different wavelengths spread out differently. Lower-energy radio waves are bundled more tightly at the magnetic pole of a neutron star field while the cone of high-energy gamma-rays will spread out. Depending on its spatial orientation and intensity of the cone, a pulsar will thus be observed as a radio and/or gamma-ray pulsar. However, other models also describe this phenomenon. To determine the actual cause, as many sources as possible should be examined.

The search for pure gamma-ray pulsars literally starts with the scientists “in the dark”. A typical pulsar will rotate several times per second, or at least 108 times per year. Its emission region will sweep across the observer with that frequency. The Large Area Telescope (LAT) on NASA’s Fermi satellite however only detects an average of a few thousand photons per year from any given gamma pulsar. This low detection rate makes it extremely difficult for even the fastest supercomputers to assign the individual gamma quanta to an unknown pulsar with a defined rotation period.

For several months, scientists from the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) in Hanover, the Leibniz University of Hanover and the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn analysed data from the LAT in an international collaboration. Using a new method, they have been able to identify nine new pulsars which were „invisible” up to now.

“We used a new kind of hierarchical algorithm which we had originally developed for the search for gravitational waves,” explains Bruce Allen, Director at the AEI and professor at the Institute for Gravitational Physics of the Leibniz University Hanover. “It’s like digging for diamonds or gold: it’s very exciting when you find something,” Allen continues.

The nine new pulsars netted by the scientists emit less gamma radiation than those previously known and rotate between three and twelve times per second. Only one of these pulsars was later also found to emit radio waves. The total number of gamma pulsars observed by Fermi has thus risen to over 100.

About three-quarters of the gamma pulsars previously observed by Fermi had first been identified as radio pulsars. In these cases the search for additional gamma radiation is relatively easy. Sky position, rotation period and rotation period change rate are all derived from the radio data, so it takes only a few additional calculations to determine whether detected gamma quanta match a particular set of parameters or not.

A blind search is far more complex as neither position nor pulse period and its change over time are known. At first, each photon from a particular observation sector is assigned a certain probability for a sky position. If a significant accumulation of gamma quanta is observed from a rough direction in the sky, scientists check if the photon’s arrival time at Fermi’s on-board detector matches an exact sky position and pulse period and its change over time. However, with only a few thousand photons detected over a period of three years but rotation frequencies of only a few hertz, a huge number of prospects have to be tested.

During a first blind search in Fermi data, astronomers found 24 pure gamma pulsars within one year of the launch of the satellite in 2008. A further two were discovered in the following year. After that, the number of new pulsars found stagnated until physicists from Hanover started searching with an algorithm that is 10 times more efficient, and employing additional computing power. They found a further nine gamma-ray pulsars which on average emit only one quarter of the photons compared to previously discovered pure gamma-ray pulsars.

Scientists at the MPI Bonn examined the emission spectra of the corresponding gamma-ray sources to see whether they were candidates for the gamma-ray pulsar blind search. „About one-third of the gamma-ray sources observed by LAT were unknown before the launch of Fermi,” says Lucas Guillemot, a member of the research group of Michael Kramer, Director at the MPIfR. „We determined the spectral properties of the Fermi LAT sources, and compared them to those of known gamma-ray sources,” he said.

The candidates for a gamma-ray pulsar blind search were then analysed in detail. “The new computing method permits us to evaluate data sets much faster than before,” said Holger Pletsch, a member of Allen’s group leading the work. The analysis was also run on the ATLAS computing cluster at the AEI in Hanover. ATLAS has one hundred times the computing power that was used in previous blind searches. “Together with the more efficient analysis, this does not only mean that we can analyse the data much faster. We can now search for gamma-ray pulsars which rotate even faster, with periods measured in milliseconds,” adds Pletsch. The computing power needed for the search increases proportionally to the cube of the rotation period.

Additionally, part of the computing power of the [email protected] project is now allocated to the search for the first pure gamma-ray millisecond-pulsar. This discovery would be a significant contribution to our understanding of pulsars.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *