Обнаружено девять миллисекундных пульсаров
Исследователи, использующие MeerKAT в Южной Африке, обнаружили девять миллисекундных пульсаров, большинство из них в редких и иногда необычных двойных системах, в качестве первого результата целевого исследования. Международная группа при значительном участии AEI (Ганновер) и MPIfR (Бонн) выбрала 79 неопознанных пульсароподобных источников из наблюдений космического гамма-телескопа Fermi НАСА и наблюдала их на радиочастотах с помощью MeerKAT.
Изображение Fermi LAT с ярким рассеянным свечением центральной плоскости Млечного Пути (в центре карты) и активными галактиками в виде точечных источников. Многие из ярких источников на плоскости — пульсары.
Авторы и права: НАСА/DOE/Fermi LAT Collaboration
Использование этого испытанного метода с массивом телескопов нового поколения имеет значительные преимущества по сравнению с предыдущими исследованиями. Команда обнаружила девять быстро вращающихся нейтронных звезд , большинство из которых обладают необычными свойствами. Их исследование опубликовано в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.
«В нашем обзоре TRAPUM использовался MeerKAT, относительно новый и чрезвычайно чувствительный радиотелескоп, вместе со специальным программным обеспечением для анализа, чтобы наблюдать за рядом очень многообещающих пульсароподобных источников», — говорит Колин Кларк, руководитель группы в Институте гравитационной физики Макса Планка (Альберт Einstein Institute; AEI) в Ганновере и ведущий автор исследования. «Награда за наши усилия — это то, чем мы можем гордиться: мы открыли девять новых миллисекундных пульсаров, некоторые из которых весьма необычны».
Команда использовала проверенный подход для открытия новых миллисекундных пульсаров. Каталог телескопа большой площади Ферми объединяет источники гамма-излучения за восемь лет наблюдений с помощью космического гамма-телескопа Ферми НАСА. Этот каталог содержит информацию о положении источников на небе, энергиях их гамма-излучения и изменениях их яркости гамма-излучения во времени.
«Мы использовали методы машинного обучения, чтобы определить вероятность пульсаров для всех источников каталога Ферми, не связанных с известными небесными объектами», — объясняет Кларк. «После того, как мы определили наиболее похожие на пульсары источники в каталоге Ферми, мы сократили наш список целей до тех источников, которые, скорее всего, будут обнаружены нашим обзором. Мы наблюдали 79 источников с помощью MeerKAT».
MeerKAT обеспечивает беспрецедентную чувствительность в южном небе
MeerKAT представляет собой массив из 64 параболических антенн, каждая с эффективным диаметром 13,5 метров в Кару, Южная Африка. MeerKAT обеспечивает беспрецедентную чувствительность к источникам в южном небесном полушарии с возможностью обнаруживать источники, которые примерно в пять раз слабее, чем те, что можно найти с помощью следующего по мощности телескопа южного полушария.
Проект больших исследований TRansients and Pulsars с использованием MeerKAT (TRAPUM) использует эту чувствительность для поиска новых пульсаров в тех частях неба, где они наиболее вероятны: шаровые скопления, близлежащие галактики, остатки сверхновых и — в данном случае — неопознанные источники гамма-излучения. Для этого потребовалась разработка специального вычислительного оборудования, которое объединяет данные с антенн MeerKAT в один виртуальный большой радиотелескоп, который может одновременно наблюдать почти за 500 близко расположенными точками неба.
В этом обзоре источников Ферми TRAPUM использовалась дополнительная чувствительность, обеспечиваемая MeerKAT, для сокращения времени наблюдения до 10 минут, что намного меньше часовых наблюдений, которые ранее требовались для обнаружения пульсаров в этих источниках.
Кратковременные наблюдения имеют много преимуществ: за ограниченное время наблюдения можно нацелиться на большее количество источников. Источники можно наблюдать неоднократно, что увеличивает вероятность наблюдения нового радиопульсара, поскольку они могут быть не обнаружены во время первого прохода обзора. В обзоре пульсаров TRAPUM было сделано по два наблюдения каждого источника. Анализ коротких наблюдений требует меньше вычислительных ресурсов, чем анализ более длинных наблюдений. Наконец, орбитальное движение в двойных системах может затруднить обнаружение радиопульсаров. В течение коротких периодов наблюдения движение пульсара почти постоянно, поэтому вредное влияние изменения орбитального движения смягчается.
В дополнение к абсолютной чувствительности массив MeerKAT предлагает одно дополнительное преимущество по сравнению с другими однозеркальными телескопами. Его 8-километровый след позволяет точно определять местоположение новых источников с очень высокой точностью, что позволяет быстро проводить последующие исследования на других длинах волн.
Девять новых миллисекундных пульсаров
Поиск пульсаров в большом объеме данных, полученных во время наблюдений TRAPUM, требует больших вычислительных мощностей и быстрого оборота, чтобы освободить место для хранения для дальнейших наблюдений.
«Мы запустили специально созданные конвейеры анализа данных на 120 графических процессорах (GPU) в выделенном вычислительном кластере, чтобы просеять наши наблюдения MeerKAT. Мы быстро нашли девять миллисекундных пульсаров-кандидатов и подтвердили все их дополнительными наблюдениями MeerKAT», — говорит Эван Барр, руководитель группы Радиоастрономического института им. Макса Планка и научный сотрудник проекта TRAPUM.
«Замечательно, что мы также можем использовать подтверждающие наблюдения для уточнения положения неба с помощью возможности MeerKAT делать выборки неба в плотной сетке. Это бесценно для последующих исследований на разных длинах волн».
Плотная двойная система пульсар-белый карлик
Одно из открытий, получившее название PSR J1526−2744, впоследствии было тщательно изучено. После обнаружения этого радиопульсара в двойной системе исследователи также уловили гамма-пульсации нейтронной звезды. Используя все доступные данные Ферми, они смогли точно изучить орбитальное движение и определить свойства двойной системы. Скорее всего, нейтронная звезда совершает оборот вокруг общего центра масс с легким белым карликом чуть менее чем за пять часов. Это сделало бы ее двойной системой пульсар-белый карлик со вторым по величине орбитальным периодом.
Команда также искала непрерывные гравитационные волны от PSR J1526−2744. Если бы нейтронная звезда была деформирована, она излучала бы гравитационные волны с удвоенной частотой вращения. Исследователи использовали все общедоступные данные Advanced LIGO из тестов O1, O2 и O3. Поскольку они точно знали движение пульсара в двойной системе из гамма-наблюдений, исследовательская группа достигла максимально возможной чувствительности поиска гравитационных волн.
Гравитационные волны
Несмотря на то, что команда не наблюдала непрерывных гравитационных волн от PSR J1526−2744, они смогли измерить, насколько нейтронная звезда отклоняется от идеальной осевой симметрии. «Теперь мы знаем, что PSR J1526−2744 действительно очень симметричен. Мы показали, что экватор нейтронной звезды не может отклоняться от идеального круга больше, чем на ширину человеческого волоса», — говорит Анджана Ашок, доктор философии, студент постоянной независимой исследовательской группы Макса Планка «Непрерывные гравитационные волны» в AEI в Ганновере, который руководил поиском гравитационных волн.
Еще два пульсара, названные PSR J1036–4353 и PSR J1803–6707, представляют собой типичные «красноспинные» пульсарные системы, состоящие из нейтронных звезд со звездами-компаньонами, масса которых составляет не менее четверти массы нашего Солнца. Эти пульсары со временем испаряются и уничтожают своих компаньонов, отсюда и ссылка на их паукообразных тезок, австралийских красноспинных пауков, чьи самки поедают самцов после спаривания.
После быстрого и точного определения положения пульсара с помощью уникальных возможностей MeerKAT астрономы определили своих спутников в звездном каталоге астрометрической миссии Gaia и изучили их с помощью специальных оптических наблюдений с помощью камеры ULTRACAM на Телескопе Новой Технологии ESO. Кроме того, они обнаружили рентгеновские лучи от PSR J1803–6707 в данных первого обзора всего неба eROSITA. Рентгеновские лучи, вероятно, возникают из-за того, что энергичный ветер пульсара врезается в материал, испаряемый спутником, и характерен для систем красноспинных.
Пульсары, скрывающиеся в каталоге
Трудно надежно оценить количество еще не обнаруженных пульсаров, скрывающихся в несвязанных пульсароподобных источниках Ферми. Тем не менее, астрономы уверены, что будущие наблюдения могут открыть еще несколько миллисекундных пульсаров. В списке целей есть несколько кандидатов, которые, скорее всего, являются пульсарами. Однако несколько обзоров до сих пор не обнаружили пульсаций радиоволн или гамма-излучения. Новые телескопы, методы анализа и неоднократные попытки наблюдения могут однажды раскрыть их пульсарную природу. С увеличением времени наблюдения Ферми базовый каталог источников будет расти, и появятся дополнительные пульсароподобные источники, которые станут потенциальными целями.
«Наши результаты, которые являются лишь первыми результатами исследования TRAPUM источников Fermi, уже показывают большой потенциал MeerKAT. С MeerKAT и специальным программным обеспечением мы можем не только обнаруживать, но также быстро и точно локализовать новые миллисекундные пульсары», говорит Кларк. «Наблюдения MeerKAT очень помогают в последующих наблюдениях на нескольких длинах волн, поиске в каталоге и будущих наблюдениях, или, другими словами, в создании подарков миллисекундных пульсаров, которые продолжают давать».
