Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 16. Juli 2024.

16. Juli 2024 – Ein internationales Team unter der Leitung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des National Radio Astronomy Observatory hat zehn schnell rotierende Neutronensterne im Kugelsternhaufen Terzan 5 entdeckt. Viele von ihnen befinden sich in ungewöhnlichen und seltenen Doppelsternsystemen, darunter möglicherweise ein rekordverdächtiger Doppelneutronenstern, ein Pulsar in einer extrem elliptischen Umlaufbahn und mehrere „Spinnensysteme“, in denen die Neutronensterne ihre Begleiter verdampfen. Diese Funde in den Daten des MeerKAT-Radioteleskops erhöhen die Anzahl der in diesem sehr dichten Sternhaufen bekannten Millisekunden-Pulsare um mehr als ein Viertel auf insgesamt 49. Das Team hofft, Pulsare in potenziell noch extremeren Doppelsternsystemen zu entdecken. Dazu sollen alle mit MeerKAT von Terzan 5 aufgezeichneten Daten durch Nutzung der enormen Rechenleistung des am MPI für Gravitationsphysik durchgeführten verteilten Rechenprojekts Einstein@Home auf weitere Pulsare durchsucht werden.

„Wir wissen, dass Kugelsternhaufen wie Terzan 5 viele schnell rotierende Neutronensterne beherbergen, und wir wissen auch, dass frühere Beobachtungen dieses Haufens wahrscheinlich einige übersehen haben. Trotzdem haben wir uns sehr gefreut, zehn bisher unbekannte Millisekunden-Pulsare zu entdecken, darunter einige in ungewöhnlichen und extremen Doppelsternsystemen“, sagt Prajwal Voraganti Padmanabh, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. „Die Kombination von hochempfindlichen Beobachtungen mit MeerKAT, Archivdaten des Green-Bank-Teleskops aus fast zwei Jahrzehnten und cleveren und effizienten Datenanalysemethoden haben diese Entdeckungen und ihre vollständige Charakterisierung ermöglicht.“

Padmanabh ist Erstautor einer Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurde. Er begann seine Forschungsarbeit an Pulsaren während seiner Tätigkeit am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn.

Neutronensterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen. Sie bestehen aus exotischer, extrem dichter Materie, sind schwerer als unsere Sonne und haben einen Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern. Aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Rotation senden sie wie ein kosmischer Leuchtturm gebündelte Radiowellen aus. Wenn die Rotation diese Strahlenbündel regelmäßig auf die Erde richtet, wird der Neutronenstern als pulsierende Radioquelle – als Radiopulsar – sichtbar. Einige dieser Radiopulsare sammeln in Doppelsternsystemen von ihrem Begleiter Materie ein, die sie auf Rotationsperioden von wenigen Millisekunden beschleunigt. Sie werden als Millisekundenpulsare bezeichnet.

Der Kugelsternhaufen Terzan 5 ist einer der Orte mit der höchsten Sternendichte in unserer Milchstraße. In seinem Kernbereich, wo diese Dichte millionenfach höher ist als in der Umgebung unserer Sonne, treffen sich die Sterne und interagieren viel häufiger als anderswo. Dies macht ihn zu einer sehr effizienten „Fabrik“ für Pulsare in außergewöhnlichen Doppelsternen. Vor dieser Studie waren bereits 39 Pulsare in Terzan 5 bekannt; nun kamen zehn weitere hinzu.

Die Forscherinnen und Forscher machten ihre Entdeckungen in Daten des MeerKAT-Radioteleskops. MeerKAT ist eine Anlage von 64 Antennen in der südafrikanischen Karoo mit einer beispiellosen Empfindlichkeit für Quellen am Südhimmel. Im Rahmen des „TRansients and Pulsars using MeerKAT (TRAPUM) Large Survey Project“ beobachtete das Team Terzan 5 zweimal für mehrere Stunden mit jeweils 56 MeerKAT-Antennen. Die Hardware für TRAPUM wurde vom MPIfR finanziert, entworfen und installiert.

„Mittels spezieller Hardware und Software haben wir die Daten der 56 einzelnen MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen Teleskop kombiniert, das gleichzeitig fast 300 eng beieinander liegende Himmelspositionen im Bereich von Terzan 5 beobachtet hat“, so Dr. Padmanabh. „Das führt natürlich dazu, dass wir viel mehr Daten auswerten müssen als bei Beobachtungen mit einem einzelnen Teleskop. Aber es hilft uns auch, die Position jedes neuen Pulsars viel genauer zu bestimmen. Das ist bei Einzelteleskopen normalerweise der schwierige Teil, der Monate an zusätzlichen Beobachtungen erfordert.“

Das Team bereitete die Rohdaten vor und suchte dann an den 45 Positionen, die den Zentralbereich von Terzan 5 abdecken, nach Pulsaren. Ihr Arbeitspferd: der Großrechner Atlas am AEI Hannover, der rund 99.000 logische CPU-Kerne in fast 3.200 Servern sowie 400 Grafikkarten mit fast einer Million Kernen für die Datenanalyse bereitstellte. Mit dieser Suche konnten zehn neue Millisekunden-Pulsare aufgespürt werden.

Für jeden in den MeerKAT-Daten an einer genau definierten Himmelsposition gefundenen Pulsar wurde auf die Archivdaten des Green-Bank-Teleskops zurückgegriffen, um zu überprüfen, ob die Entdeckung dort bestätigt werden konnte. „Ohne das Archiv des Green-Bank-Teleskops wären wir nicht in der Lage gewesen, diese Pulsare zu charakterisieren und ihre Astrophysik zu verstehen“, sagt Scott Ransom, Astronom am National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Dadurch war man in der Lage, für alle Entdeckungen sogenannte Timing-Modelle zu erstellen. Diese mathematischen Beschreibungen sagen die Ankunftszeit jedes einzelnen der mehreren hundert Milliarden Pulse über die gesamten 19 Jahre Beobachtungszeit präzise voraus.

Um diese Genauigkeit zu erreichen, müssen die Timing-Modelle viele astrophysikalische Eigenschaften berücksichtigen, die die Doppelsysteme mit Pulsaren beschreiben, einschließlich relativistischer Effekte, die sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergeben. Das ermöglichte es den Forschern, die Neutronensterne, ihre Umlaufbahnen, ihre Begleiter und viele andere Eigenschaften genau zu untersuchen und zu überwachen.

„Alle zehn neu entdeckten Pulsare sind ungewöhnlich und besonders und helfen uns, Kugelsternhaufen und Neutronensterne besser zu verstehen und die allgemeine Relativitätstheorie zu testen. Aber einige von ihnen sind selbst in dieser Gruppe selten und speziell“, sagt Paulo Freire, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“ am MPIfR. „Diese Systeme sind nur die jüngsten Beispiele für die wunderbaren, exotischen Sternsysteme, die wir mit MeerKAT in diesen dichten Kugelsternhaufen gefunden haben. Zusammen mit jüngsten Beispielen wie dem Objekt NGC 1851E, das das erste Pulsar-Schwarzes-Loch-System darstellen könnte, zeigen uns die Ergebnisse, dass Kugelsternhaufen eine Goldmine voller Möglichkeiten darstellen.“

Vivek Venkatraman Krishnan vom MPIfR ist Mitautor der vorliegenden Arbeit. Er sucht im Rahmen des ERC Research Grants COMPACT („Understanding gravity using a comprehensive search for fast-spinning pulsars and compact binaries“) ebenfalls nach binären Pulsaren in Kugelsternhaufen. „Mit COMPACT werden wir ein maßgeschneidertes Suchsystem für Pulsare entwickeln und einsetzen, um noch extremere Versionen dieser Doppelsterne in Kugelsternhaufen zu entdecken“, sagt er.

Eine der Entdeckungen ist ein Doppelsternsystem, das möglicherweise aus zwei Neutronensternen besteht. Diese Doppelneutronensterne sind sehr selten – gerade einmal 20 von mehr als 3600 bekannten Pulsaren gehören zu dieser besonderen Spezies. Sollten zukünftige Beobachtungen diesen Verdacht bestätigen, wäre das Doppelsystem auch ein Rekordbrecher mit dem am schnellsten rotierenden Pulsar und der längsten Umlaufzeit solcher Objekte. Andererseits könnte es sich bei diesem System auch um einen massereichen Pulsar in Begleitung eines Weißen Zwergs handeln. Ein schwerer Pulsar könnte Aufschluss über die innere Zusammensetzung von Neutronensternen geben.

Die extrem elliptische Umlaufbahn eines anderen neuen Pulsars deutet auf eine Reihe von engen Begegnungen mit anderen Sternen in seiner Vergangenheit hin. Wenn im Gedränge im Zentrum von Terzan 5 Sterne an einem Doppelsternsystem vorbeiziehen, kann ihre Schwerkraft dessen Bahnen stören und sogar seine Komponenten herausschleudern oder deren Plätze einnehmen.

Nachdem das Team die Zahl der bekannten Pulsare in Terzan 5 schon um mehr als ein Viertel gesteigert hat, plant es bereits, weitere zu finden. Die Suche wird erweitert auf Pulsare in Doppelsystemen, deren Umlaufzeiten deutlich kürzer sind als die der bisher entdeckten. Die Forscher beabsichtigen, mit der Hilfe des verteilten freiwilligen Computerprojekts Einstein@Home alle mit MeerKAT gewonnenen Daten von Terzan 5 zu analysieren. Das Projekt, das von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am AEI Hannover geleitet wird, hat bereits mehr als 90 neue Neutronensterne entdeckt. Mit MeerKAT soll der Kugelsternhaufen Terzan 5 auch bei höheren Radiofrequenzen beobachtet werden, was die Chancen auf neue Entdeckungen weiter erhöhen dürfte.

„Nach allem, was wir über Terzan 5 wissen, erwarten wir, dass er noch viele weitere extreme Doppelsternsysteme beherbergt, von denen jedes ein potenzielles Labor für die Überprüfung der Einsteinschen Relativitätstheorie ist“, schließt Prajwal Voraganti Padmanabh. „Wer weiß, vielleicht ist das nächste, was wir in diesem erstaunlichen Kugelsternhaufen finden, etwas so Exotisches wie ein Paar Millisekunden-Pulsare oder ein Millisekunden-Pulsar, der ein Schwarzes Loch umkreist?“

Hintergrundinformation
Das vom South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) betriebene MeerKAT ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zum „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskop für einen mittleren Frequenzbereich (SKA-MID) integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ haben bereits 2023 während der Testphase des Teleskops begonnen.

TRAPUM (TRAnsients and PUlsars with MeerKAT) ist eines der Large Survey Proposals, die mit dem MeerKAT-Teleskop durchgeführt werden. Es handelt sich um ein internationales Kollaborationsprojekt, das von der Universität Manchester und dem MPIfR geleitet wird, und an dem Institutionen wie das INAF, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) beteiligt sind.

Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. Das Green Bank Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen eines Kooperationsabkommens von Associated Universities, Inc. betrieben wird.

Autoren der Veröffentlichung sind P. V. Padmanabh, S. M. Ransom, P. C. C. Freire, A. Ridolfi, J. D. Taylor, C. Choza, C. J. Clark, F. Abbate, M. Bailes, E. D. Barr, S. Buchner, M. Burgay, M. E. DeCesar, W. Chen, A. Corongiu, D. J. Champion, A. Dutta, M. Geyer, J. W. T. Hessels, M. Kramer, A. Possenti, I. H. Stairs, B. W. Stappers, V. Venkatraman Krishnan, L. Vleeschower und L. Zhang. Paulo Freire, Ewan Barr, Weiwei Chen, David Champion, Arunima Dutta, Michael Kramer und Vivek Venkatraman Krishnan sind Mitarbeiter am MPIfR. Der Erstautor, Prajwal Voraganti Padmanabh, sowie Alessandro Ridolfi und Federico Abbate sind ebenfalls mit dem MPIfR affiliiert.

Originalveröffentlichung
Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., Astronomy & Astrophysics (A&A), Volume 686, A166 (Juni 2024)
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/06/aa49303-24/aa49303-24.html

Discovery and timing of ten new millisecond pulsars in the globular cluster Terzan 5
P. V. Padmanabh et al., arXiv Preprint
https://arxiv.org/abs/2403.17799

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 11. Juli 2024.

11. Juli 2024 – Forschende unter Beteiligung der TU Darmstadt haben nun neue Erkenntnisse über den Radius des Neutronensterns und dessen Auswirkungen auf die Zustandsgleichung dichter Materie gewonnen. Die Ergebnisse wurden in einer Reihe von Artikeln in der renommierten Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

PSR J0437 ist ein Pulsar, also ein rotierender Neutronenstern, der elektromagnetische Strahlung aussendet. Er befindet sich etwa 510 Lichtjahre von der Erde entfernt im südlichen Sternbild Pictor. PSR J0437 rotiert 174 Mal pro Sekunde um seine Achse und hat einen Weißen Zwerg, also einen kompakten, alten Stern, als Begleiter. Wie ein Leuchtturm sendet der Pulsar alle 5,75 Millisekunden einen Strahl aus Radiowellen und Röntgenstrahlen in Richtung Erde. Er ist der Millisekunden-Pulsar, der der Erde am nächsten ist. Unter anderem wegen dieser Nähe ist er auch der hellste Millisekundenpulsar.

Wissenschaftler:innen um Devarshi Choudhury und Anna Watts von der Universität Amsterdam (Niederlande) haben nun seinen Radius bestimmt. Für ihre Messungen nutzten sie Daten des Röntgenteleskops NICER an Bord der Internationalen Raumstation. Sie kombinierten die Röntgendaten mit einer Technik namens Pulsprofil-Modellierung. Mit Hilfe von Massenmessungen des Parkes Pulsar Timing Array in Australien konnte so der Radius des Sterns bestimmt werden: 11,4 Kilometer. Die Masse von PSR J0437 ist 1,4-mal größer als die unserer Sonne.

Theoretische Kernphysiker:innen der TU Darmstadt, darunter Melissa Mendes, Isak Svensson und Achim Schwenk, untersuchten gemeinsam mit Astrophysiker:innen um Nathan Rutherford von der University of New Hampshire (USA) die Konsequenzen der neuen Radiusmessung für die Eigenschaften dichter Materie im Inneren des Sterns. Mithilfe eines statistischen Formalismus, der neue Berechnungen der Zustandsgleichung für dichte Materie in den äußeren Kilometern des Neutronensterns sowie den verfügbaren NICER- und Gravitationswellen-Beobachtungen von Neutronensternen verbindet, konnten die Forschenden genauere Beschränkungen für die Radien von Neutronensternen und für die Eigenschaften der dichten Materie im Inneren von Neutronensternen ermitteln.

Die Arbeit an der TU Darmstadt wurde von Melissa Mendes und Isak Svensson geleitet. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die neue NICER-Messung die Zustandsgleichung bei mittleren Dichten, die einige Male so hoch sind wie in Atomkernen, stark einschränkt“, erklärt Mendes. Dies führt zu einem hohen Druck, aber bei dem kleineren Radius von PSR J0437 erweist sich die Zustandsgleichung als relativ softer. Svensson betont: „Es gibt ein besonders interessantes Zusammenspiel zwischen Neutronensternen mit einer Masse von 1,4 Sonnenmassen und schweren Neutronensternen mit einer Masse von zwei Sonnenmassen, das wichtige Anhaltspunkte für die Wechselwirkungen in dichter Materie liefert.“

„Diese Arbeit kombiniert die neuesten Informationen, die wir aus der theoretischen Kernphysik und aus astrophysikalischen Beobachtungen haben, um die Physik stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen einzugrenzen“, sagt Schwenk. „Es wird sehr interessant sein, wie zukünftige NICER- und Gravitationswellen-Beobachtungen die Zustandsgleichung der dichtesten beobachtbaren Materie im Universum weiter einschränken werden.“

Die Arbeit von Nathan Rutherford, Melissa Mendes, Isak Svensson et al. ist Teil einer Reihe von Veröffentlichungen. Zusätzlich zu dieser Arbeit über die Zustandsgleichung gibt es die Radiusmessung von PSR J0437-4715 unter der Leitung von Devarshi Choudhury (Universität Amsterdam) https://arxiv.org/abs/2407.06789, die Massenbestimmung unter der Leitung von Daniel Reardon (Swinburne University of Technology, Australien) https://arxiv.org/abs/2407.07132 und eine Aktualisierung der Radiusmessung für den schweren Pulsar PSR J0740+6620 unter der Leitung von Tuomo Salmi (Universität Amsterdam) https://arxiv.org/abs/2406.14466.

Originalpublikation:
Nathan Rutherford, Melissa Mendes, Isak Svensson, Achim Schwenk, Anna L. Watts, Kai Hebeler, Jonas Keller, Chanda Prescod-Weinstein, Devarshi Choudhury, Geert Raaijmakers, Tuomo Salmi, Patrick Timmerman, Serena Vinciguerra, Sebastien Guillot, and James M. Lattimer:
“Constraining the dense matter equation of state with new NICER mass-radius measurements and new chiral effective field theory inputs”
Accepted for publication in The Astrophysical Journal Letters, https://arxiv.org/abs/2407.06790
pdf: https://arxiv.org/pdf/2407.06790

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 29. Juni 2023.

Mit anderen internationalen Kollaborationen haben sie unabhängig voneinander Beweise für Gravitationswellen bei extrem niedrigen Frequenzen gefunden, die von Paaren extrem massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren verschmelzender Galaxien stammen könnten. Die Ergebnisse sind ein entscheidender Meilenstein zur Erschließung eines neuen, astrophysikalisch bedeutenden Bereichs des Gravitationswellen-Spektrums.

In einer Reihe von Artikeln, die diese Woche in der Fachzeitschrift „Astronomy and Astrophysics“ veröffentlicht wurden, berichten Wissenschaftler:innen des European Pulsar Timing Array (EPTA) in Zusammenarbeit mit indischen und japanischen Kolleg:innen des Indian Pulsar Timing Array (InPTA) über die Ergebnisse von Messungen, die über einen Zeitraum von 25 Jahren durchgeführt wurden. Die Daten lassen auf neue Erkenntnisse in Bezug auf die Entstehung und Entwicklung unseres Universums und seiner Galaxien hoffen.

EPTA ist ein Zusammenschluss von Forschenden aus mehr als zehn Institutionen in ganz Europa und bringt Astronom:innen und theoretische Physiker:innen zusammen, welche die Beobachtungen der extrem regelmäßigen Pulse von einer besonderen Art erloschener Sternen, den so genannten Pulsaren, nutzen, um einen Gravitationswellen-Detektor von der Größe einer Galaxie zu aufzuspannen.

Ein gigantischer Gravitationswellen-Detektor
„Pulsare sind hervorragende natürliche Uhren. Wir nutzen die unglaubliche Regelmäßigkeit ihrer Signale, um nach winzigen Veränderungen in ihrem Ticken zu suchen und so die minimalen Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit durch Gravitationswellen aus dem fernen Universum nachzuweisen“, erklärt Dr. David Champion, leitender Wissenschaftler am MPIfR in Bonn.

Dieser riesige Gravitationswellen-Detektor, der sich von der Erde bis zu 25 ausgewählten Pulsaren in der gesamten Galaxis erstreckt, ermöglicht die Untersuchung von Gravitationswellen-Frequenzen, die weit unter denen in anderen Experimenten gemessenen liegen. Die Beobachtungen werfen Licht auf das Gravitationswellen-Universum im Nanohertz-Bereich und enthüllen einzigartige Quellen und neue Phänomene.

„Im Zentrum von Galaxien lauern supermassereiche Schwarze Löcher, die mehrere Millionen Mal schwerer sind als die Sonne. Wenn die Pulse der Pulsare zur Erde gelangen, werden sie von den schwachen, weit entfernten Echos der Gravitationswellen geprägt, die von diesen monströsen Schwarzen Löchern ausgesendet werden“, sagt Dr. Aditya Parthasarathy, Forscher am MPIfR. Diese Echos enthalten Informationen über die kosmische Population supermassereicher binärer Schwarzer Löcher, die sich bei der Verschmelzung von Galaxien bilden und den Beginn einer neuen Reise ins Universum markieren.

Ein einzigartiger Datensatz durch koordinierte Zusammenarbeit
Diese Ergebnisse basieren auf jahrzehntelangen koordinierten Beobachtungskampagnen mit den fünf größten Radioteleskopen in Europa: dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland, dem Lovell-Teleskop in Großbritannien, dem Nançay-Radioteleskop in Frankreich, dem Sardinia-Radioteleskop in Italien und dem Westerbork-Radiosyntheseteleskop in den Niederlanden.

Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn, betont: „Die Daten des Effelsberger Teleskops reichen mehr als 25 Jahre zurück. Das ist wichtig, denn es macht das EPTA einzigartig empfindlich für die niedrigsten untersuchten Frequenzen.“

„Einmal im Monat“, fügt Dr. Kuo Liu vom MPIfR in Bonn hinzu, „nehmen die europäischen Teleskope als Large European Array for Pulsars außerdem gemeinsam Daten auf, um eine zusätzliche Empfindlichkeit zu erreichen, die mit der des größten Radioteleskops der Erde vergleichbar ist.“ Diese Beobachtungen wurden auch durch Daten des InPTA in Indien ergänzt, was zur Entwicklung eines einzigartigen empfindlichen Datensatzes geführt hat.

Dr. Yajun Gou, Forscherin am MPIfR, erklärt die Bedeutung: „Unsere Teleskope haben die Pulsare sehr oft und über einen sehr langen Zeitraum hinweg beobachtet. Wir können Frequenzen der Gravitationswellen aufspüren, die so langsam sind wie eine Schwingung alle 30 Jahre, was die Empfindlichkeit gegenüber Doppelsternsystemen mit Schwarzen Löchern mit Umlaufzeiten von bis zu 50 Jahren verbessert.“ Im Gegensatz dazu ermöglicht die hohe zeitliche Dichte der Daten die Untersuchung von Frequenzen, die bis zu 100 Schwingungen pro Monat betragen. Doktorand Jiwoon Jang übersetzt: „Wir können Doppelsystem von Schwarzen Löchern mit Umlaufzeiten von wenigen Jahren bis zu Monaten herunter untersuchen.“

Die Bekanntgabe der EPTA-Ergebnisse erfolgt in Abstimmung mit ähnlichen Veröffentlichungen anderer Kollaborationen weltweit, nämlich der in Parkes ansässigen australischen, der chinesischen und der nordamerikanischen Pulsar Timing Array (PTA)-Kollaborationen, abgekürzt PPTA, CPTA bzw. NANOGrav. Die Astronomen sind sich sicher, dass es sich bei dem, was sie sehen, um Signaturen von Gravitationswellen handelt, da ihre Ergebnisse mit ähnlichen Daten und Ergebnissen in allen PTA-Kollaborationen übereinstimmen und von diesen unterstützt werden.

„Die Analyse der Daten von Pulsar Timing Arrays wird dadurch erschwert, dass PTAs astrophysikalische Objekte als Detektoren verwenden“, erläutert Jonathan Gair, Gruppenleiter in der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam und Mitautor der Veröffentlichung. „Es gibt viele verschiedene Rauschquellen, die die Pulsare selbst mitbringen und die bei der Suche nach der Signatur der Gravitationswellen berücksichtigt werden müssen. Das Signal selbst ist darüber hinaus zufällig, so dass es wie Rauschen aussieht.“

Die heute vorgestellte Analyse der EPTA-Daten entspricht den Erwartungen von Astrophysikern. Der Goldstandard in der Physik für die Entdeckung eines neuen Phänomens ist jedoch, dass das Ergebnis des Experiments mit einer Wahrscheinlichkeit von weniger als einem Mal in einer Million auftritt. Das von EPTA – wie auch von den anderen internationalen Kollaborationen – berichtete Ergebnis erfüllt dieses Kriterium noch nicht.

Wissenschaftler der meisten führenden PTAs führen jedoch ihre Datensätze unter der Schirmherrschaft des International Pulsar Timing Array zusammen. Ziel ist es, die aktuellen Datensätze zu erweitern, indem ein Array von über 100 Pulsaren genutzt wird, die mit dreizehn Radioteleskopen beobachtet wurden, und mehr als 1000 Beobachtungen für jeden Pulsar bündeln. Diese Daten sollten es den Forschenden ermöglichen, einen unwiderlegbaren Beweis für das Vorhandensein eines Gravitationswellen-Hintergrunds bei Nanohertz-Frequenzen zu erbringen.

Weitere Informationen:

Pulsare
Pulsare sind die Überreste massereicher Sternexplosionen, bei denen der Kern als Neutronenstern überlebt hat, sehr kompakte Objekte von 1,5 Sonnenmassen innerhalb eines Radius von 13 km. Die schnellsten Pulsare rotieren mit einer Geschwindigkeit von 700 Umdrehungen pro Sekunde und senden von ihren Magnetpolen einen Strahl aus. Aus der Sicht eines Beobachters verhalten sie sich wie kosmische Leuchttürme. Mit einem Radioteleskop werden sie als eine Reihe von Impulsen oder „Ticks“ wahrgenommen, die in sehr regelmäßigen Abständen eintreffen und ein natürliches und präzises uhrähnliches Signal darstellen. Es wird erwartet, dass ein solches Uhrensignal durch niederfrequente Gravitationswellen gestört wird.

Pulsar-Timing-Array (PTA)
Ein Pulsar-Timing-Array ist ein Netzwerk von Pulsaren, die mit einem oder idealerweise mehreren Radioteleskopen beobachtet werden, um nach Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich (d. h. mit Wellenlängen in der Größenordnung von mehreren Lichtjahren) zu suchen und diese zu entdecken. Der PTA besteht aus einem Ensemble von Millisekunden-Pulsaren, die in verschiedenen Richtungen von der Erde aus beobachtet werden. Aufgrund der Präzision ihrer Pulsperioden und ihrer Verteilung am Himmel stellen sie einen Gravitationswellendetektor dar, der große Entfernungen in der Galaxis abdeckt. Die Analyse der Pulsankunftszeiten bei den beobachteten Pulsaren erlaubt nach Korrektur einer ganzen Reihe von Effekten den Rückschluss auf Gravitationswellen im Nanohertz-Bereich.

Die Verwendung dieser Pulsare als galaktischer Gravitationswellendetektor wurde von M. Sazhin (1978, Astronomisches Institut Sternberg, Moskau) und S. Detweiler (1979, Universität Yale) vorgeschlagen. Sazhin schlug vor, dass ultralange Gravitationswellen durch ihre Störung bei der Ausbreitung elektromagnetischer Pulse nachgewiesen werden könnten. Detweiler zeigte, dass man anhand der veröffentlichten Pulsardaten eine Amplitudenobergrenze von 10-11 für die Energiedichte eines stochastischen Gravitationswellenhintergrunds mit Perioden von 1 Jahr festlegen kann.

Einige Jahre später führten Hellings und Downs (1983, Jet Propulsion Laboratory) zum ersten Mal das Konzept des Pulsar-Timing-Array ein und zeigten, dass man, wenn man in der Lage ist, ein Netzwerk solcher stabilen Pulsare mit hoher Präzision zu timen, die Hintergrundemission einer Population kompakter binärer Quellen messen und insbesondere die quadrupolare Natur des Gravitationswellensignals aus der Winkelkorrelation zwischen Pulsarpaaren ableiten kann, d. h. aus der Art und Weise, wie die Pulsare je nach ihrer relativen Position am Himmel beeinflusst werden. Dies ist das Prinzip des Nachweises ultraniedriger Gravitationswellen mit dem, was wir heute ein Pulsar-Timing-Array (PTA) nennen.

Als die Technologie begann, solch präzise Messungen zu ermöglichen, die typischerweise eine Datierung der Pulsationsankunftszeit (die „Ticks“) besser als im Mikrosekundenbereich erreichen, begannen mehrere Gruppen in der Welt, die schnellst-rotierenden und stabilsten bekannten Millisekunden-Pulsare zu beobachten.

Das Europäische Pulsar Timing Array (EPTA)
Europa hat bei diesem Forschungsprogramm Pionierarbeit geleistet. Als Erbe des bereits bestehenden „European Pulsar Network“ (EPN) und der „PULSE: European Pulsar Research“-Zusammenarbeit, die 2005 mit dem Descartes-Preis der Europäischen Kommission ausgezeichnet wurde, wurde 2006 offiziell das European Pulsar Timing Array (EPTA) ins Leben gerufen, das die „Pulsar“-Teams an den größten Radioteleskopen des Kontinents vereint: das 100-m-Radioteleskop in Effelsberg (Deutschland), das Westerbork Synthesis Radio Telescope (Niederlande), das Lovell Telescope am Jodrell Bank Observatory (Großbritannien), das Sardinia Radio Telescope (Italien) und das Nançay Radio Telescope (Frankreich). An jedem dieser Orte hatten die lokalen Gruppen hochmoderne Instrumente und Datenpipelines entwickelt, die in der Lage waren, Pulsare korrekt zu messen und ein genaues Timing durchzuführen. In den folgenden Jahren kamen weitere Gruppen hinzu, die ebenfalls ihr theoretisches Fachwissen und ihre Fähigkeiten bei der Analyse von Gravitationswellendaten einbrachten: die Universitäten in Birmingham, Cambridge und Mailand sowie das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und das Observatorium in Paris.

Das EPTA hat seine Möglichkeiten im Jahr 2008 dank des vom ERC finanzierten „Large European Array for Pulsars“ (LEAP) erheblich erweitert. Mit monatlichen Beobachtungen nutzt das LEAP die kohärent zusammengefügte Empfindlichkeit der EPTA-Teleskope, um eine Schüssel mit einem effektiven Durchmesser von bis zu 200 m zu bilden. In 25 Jahren Beobachtungszeit haben diese Instrumente etwa 60.000 Messungen für die 25 stabilsten Millisekundenpulsare gesammelt, die eine effektive Kadenz von einigen Tagen ermöglichen und für die meisten von ihnen eine Zeitgenauigkeit von mehr als einer Mikrosekunde erreichen

Diese Zahlen definieren die Empfindlichkeit und den Frequenzbereich des Arrays: einige 10-16 in der Gravitationsenergiedichte im Durchschnitt über den Himmel, zwischen 1,3 nHz und 5,8 μHz in der Frequenz, wobei die lokale Empfindlichkeit in einer Region der Himmelskugel von der tatsächlichen Verteilung und Stabilität der Pulsare im Array abhängt.

Large European Array for Pulsars (LEAP)
Dank des vom ERC finanzierten „Large European Array for Pulsars“ (LEAP-Projekt unter der Leitung von Prof. Michael Kramer) hat das EPTA seine Kapazitäten 2008 erheblich erweitert. Mit monatlichen Beobachtungen nutzt das LEAP die kohärent zusammenzugefügte Empfindlichkeit der EPTA-Teleskope, um ein virtuelles Teleskop mit einem effektiven Durchmesser von bis zu 200 m zu bilden. Im Gegensatz zu radioastronomischen Interferometern (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) kommt es hier nicht auf die Entfernung zwischen den einzelnen Teleskopen an, sondern auf deren kumulative Sammelfläche zum Nachweis der schwachen Radiostrahlung von Pulsaren. LEAP stellt für die EPTA-Teleskope außerdem eine neue Generation von Datenerfassungsgeräten zur Verfügung, die als Grundlage für die Veröffentlichung maßgeblich zur Anwendung gekommen sind.

Indian Pulsar Timing Array (InPTA)
Das Indian Pulsar Timing Array (InPTA) nutzt das Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) bei Pune als Schlüsselinstrument für die indischen Beobachtungen. Diese InPTA-Beobachtungen erweitern den Bereich der Radiofrequenzen, die zur Beobachtung von Pulsaren verwendet werden, auf viel niedrigere Frequenzen als die, die normalerweise vom EPTA verwendet werden. Durch die Kombination der Datensätze sind EPTA und InPTA in der Lage, das durch das interstellare Medium verursachte Zeitrauschen erfolgreich abzuschwächen.

Am InPTA-Experiment sind Forscher des NCRA (Pune), des TIFR (Mumbai), des IIT (Roorkee), des IISER (Bhopal), des IIT (Hyderabad), des IMSc (Chennai) und des RRI (Bengaluru) zusammen mit ihren Kollegen von der Universität Kumamoto (Japan) beteiligt.

NanoGRAV
Das „North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves“ umfasst Millisekunden-Beobachtungen von Pulsaren mit den Radioteleskopen Green Bank und Arecibo (das 300-m-Teleskop von Arecibo ist ab 2020 nicht mehr in Betrieb) sowie mit dem VLA und dem CHIME-Radioteleskop in Kanada.

Parkes Pulsar Timing Array (PPTA)
Das Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) war die erste offizielle Kollaboration, die sich der Suche nach Gravitationswellensignalen im Nano-Hertz-Bereich widmete. Es nutzt seit 2005 Beobachtungen mit dem 64-m-Radioteleskop bei Parkes in New South Wales.

Chinese Pulsar Timing Array (CPTA)
Das Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) ist das jüngste Mitglied der PTA-Kollaborationsfamilie. Das CPTA kann die Beobachtungen des neuen FAST-Teleskops nutzen, das 2020 seinen vollen Betrieb aufgenommen hat.

Internationales Pulsar-Timing-Array (IPTA)
Das IPTA entstand 2009 aus der Zusammenarbeit der drei damals bestehenden Konsortien: EPTA in Europa, NANOGrav in Nordamerika und PPTA in Australien. Kürzlich kam die indische Kooperation InPTA hinzu. Zwei kombinierte Datensätze wurden in den Jahren 2016 und 2019 veröffentlicht. Sie dienten in erster Linie dazu, frühere, von den einzelnen Gruppen individuell ermittelte Nachweisgrenzen zu bestätigen, instrumentelle Systematiken zu verfolgen und wissenschaftliche Ergebnisse für die Planetenephemeriden des Sonnensystems und die Definition einer unabhängigen Pulsarzeitstandardreferenz zu erzielen. Das IPTA arbeitet jetzt in vollem Umfang zusammen, um unsere neuesten Daten zu kombinieren und gemeinsam zu analysieren.

Die Verwirklichung eines PTA
Es gibt eine Reihe von Vordergrundquellen von Signalen, die charakterisiert und korrekt modelliert werden müssen, damit sie bei der Analyse von Gravitationswellensignal unterschieden werden können. Diese Signale sind vom unterschiedlicher Natur. Ihr Ursprung kann instrumentell (z. B. Referenzuhr, Instabilität der Empfängersysteme, Kalibrierungsunsicherheiten), astrophysikalisch (z. B. im Zusammenhang mit der Instabilität der Radioemission in der Pulsarmagnetosphäre oder mit Schwankungen der Sternrotation) oder durch den Weg des Radiosignals durch das interstellare Medium (mit Dispersionsverzögerungen und Streuung) bedingt sein. Einige dieser Störungen können in der Tat die Gravitationsemissionssignatur teilweise nachahmen und/oder verbergen, und man muss sie vor jeder weiteren Analyse genau charakterisieren und modellieren.
Schließlich spielen die planetarischen Ephemeriden des Sonnensystems (SSE), die die Position der Planeten um die Sonne in Abhängigkeit von der Zeit beschreiben, eine entscheidende Rolle. Das EPTA verwendet den Schwerpunkt des Sonnensystems (SSB) als gemeinsamen Bezugsrahmen, auf den wir die Radiobeobachtungen (Zeit der Pulsankünfte) aller Radioteleskope reduzieren. Jede Ungenauigkeit in den relativen Positionen, Geschwindigkeiten oder Massen der Planeten kann zu nicht berücksichtigten Verzögerungen führen und sich auf die Zeitmessungen aller Pulsare des Arrays auswirken, wodurch eine falsche räumliche Korrelation entsteht, die die Geometrie einer GW-Hintergrundstrahlung heimtückisch nachahmt. Um dies zu vermeiden, vergleicht man sorgfältig die Ergebnisse verschiedener SSE-Lösungen, z. B. die des Jet Propulsion Laboratory (Folkner & Park 2018) oder des Pariser Observatoriums (INPOP – Fienga et al 2019).

Gravitationswellen
Gravitationswellen sind Deformationen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Sie wurden bereits 1915 von Einstein mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, Im Jahre 1982 konnten diese erstmals durch den Energieverlust eines nahen Paares von Neutronensternen nachgewiesen und 2015 direkt mit dem bodengestützten Laserinterferometer LIGO gemessen werden.

Die europäische Gemeinschaft bereitet eine neue Weltraummission, LISA, vor (die endgültige Verabschiedung wird für Anfang 2024 erwartet), die nach ihrem Start im Jahr 2035 das Gravitationswellenspektrum bei niedrigen Frequenzen (mHz) untersuchen und die Population kompakter binärer Weißer Zwerge und Neutronensterne in unserer Galaxie, die sich gegenseitig umkreisen, sowie die Verschmelzung massereicher (etwa eine Million Sonnenmassen) Schwarzer Löcher im Universum untersuchen soll. LISA verwendet dasselbe Konzept wie die bodengestützten Laserinterferometer, allerdings mit einer Konstellation von drei Satelliten, die im Abstand von 2,5 Millionen km um die Sonne kreisen und das Laserlicht austauschen. Die Frequenzen von Gravitationswellen, die mit PTAs gesehen werden, sind damit nochmals niedriger als die von LISA.

MPIfR-Koautoren
J. Antoniadis, A.-S. Bak Nielsen, D. J. Champion, G. Desvignes, E. Graikou, Y. J. Guo, H. Hu, J. Jang, J. Jawor, A. Jessner, R. Karuppusamy, M. Kramer, K. Lackeos, K. J. Lee, K. Liu, R. A. Main, A. Parthasarathy, V. Venkatraman Krishnan und J. P. W. Verbiest.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 25. Januar 2023.

25. Janaur 2023 – Neun Millisekunden-Pulsare, die meisten in seltenen und teils ungewöhnlichen Doppelsystemen: Das sind die ersten Ergebnisse einer gezielten Durchmusterung mit dem südafrikanischen Teleskop-Array MeerKAT. Ein internationales Team mit maßgeblicher Beteiligung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) wählte 79 unidentifizierte pulsar-ähnliche Quellen aus Beobachtungen des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA aus und beobachtete sie mit MeerKAT im Radiobereich. Die Kombination dieser bewährten Methode mit einem Teleskop-Array der nächsten Generation hat deutliche Vorteile gegenüber früheren Durchmusterungen. Das Team entdeckte neun schnell rotierende Neutronensterne, die meisten mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Bei zwei dieser Objekte wurden Pulsationen der Gammastrahlung, optische Gegenstücke und bei einem weiteren System Röntgenstrahlung entdeckt.

Das Team vom AEI suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von einem der Neutronensterne. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von gezielten Suchen nach Radiopulsaren in unidentifizierten Gammastrahlenquellen. Diese dürften für weitere Erkenntnisse sorgen: Die Forschenden sind sicher, dass sich bei künftigen Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare entdecken lassen.

Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ (MNRAS) veröffentlicht.

„Für unsere TRAPUM-Durchmusterung haben wir mit MeerKAT, einem relativ neuen und äußerst empfindlichen Radioteleskop, zusammen mit einer speziellen Analysesoftware eine Auswahl vielversprechender pulsar-ähnlicher Quellen beobachtet“, sagt Colin Clark, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover und Erstautor der Studie. „Die Belohnung für unsere Mühen ist etwas, auf das wir stolz sein können: Wir haben neun neue Millisekunden-Pulsare entdeckt, von denen einige recht ungewöhnlich sind.“

Das Team verwendete einen bewährten Ansatz, um neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken: Der Katalog des Fermi Large Area Telescope verzeichnet Gammastrahlenquellen, die das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA in acht Jahren Beobachtungszeit entdeckte. Dieser Katalog enthält Informationen über die Himmelspositionen der Quellen, die Energieverteilung ihrer Gammastrahlung und die zeitlichen Veränderungen ihrer Gammastrahlenhelligkeit. „Wir haben mit Methoden des maschinellen Lernens für alle Quellen im Fermi-Katalog, die nicht mit bekannten Himmelsobjekten assoziiert sind, die Wahrscheinlichkeit bestimmt, dass sie Pulsare sind“, erklärt Clark. „So identifizierten wir die pulsar-ähnlichsten Quellen im Fermi-Katalog. Danach reduzierten wir unsere Liste auf diejenigen Quellen, die mit unserer Durchmusterung am ehesten nachweisbar sein würden. Wir haben dann 79 Quellen mit MeerKAT beobachtet.“

MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit am Südhimmel
MeerKAT ist eine Anordnung von 64 Parabolantennen mit einem effektiven Durchmesser von je 13,5 Meter in der Karoo in Südafrika. MeerKAT bietet eine noch nie dagewesene Empfindlichkeit für Himmelsobjekte in der südlichen Hemisphäre. Es ist in der Lage, Quellen zu entdecken, die etwa fünfmal schwächer sind als diejenigen, die das zweitempfindlichste Teleskop der Südhemisphäre beobachten kann.

Das „TRansients and Pulsars using MeerKAT Large Survey Project“ (TRAPUM) nutzt diese Empfindlichkeit, um nach neuen Pulsaren in den Teilen des Himmels zu suchen, in denen sie am wahrscheinlichsten zu finden sind: Kugelsternhaufen, nahe Galaxien, Supernovaüberreste und – wie in dieser Untersuchung – unidentifizierte Gammastrahlenquellen. Dies erforderte die Entwicklung spezieller Computerhardware, die die Daten der MeerKAT-Antennen zu einem virtuellen großen Radioteleskop kombiniert, das fast 500 nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig beobachten kann.

Bei dieser TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen wird die zusätzliche Empfindlichkeit von MeerKAT dazu genutzt, um die Beobachtungszeit auf nur 10 Minuten zu verkürzen. Das ist wesentlich kürzer als die stundenlangen Beobachtungen, die zuvor erforderlich waren, um Pulsare in diesen Quellen zu finden.

Kurze Beobachtungen haben viele Vorteile: In begrenzter Beobachtungszeit lassen sich mehr Quellen erfassen. Sie können wiederholt beobachtet werden, was die Chance erhöht, einen neuen Radiopulsar zu entdecken, da sie bei der ersten Beobachtung nicht immer sichtbar sind. Die TRAPUM-Pulsardurchmusterung umfasste zwei Beobachtungen pro Quelle. Die Analyse kurzer Beobachtungen ist rechnerisch weniger anspruchsvoll als die von längeren. Zudem kann die Bahnbewegung in Doppelsternsystemen die Entdeckung von Radiopulsaren erschweren. Während einer kurzen Beobachtungszeit ist die Bewegung des Pulsars nahezu konstant, so dass der nachteilige Effekt einer sich ändernden Bahnbewegung verringert wird.

Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit bietet das MeerKAT-Array einen weiteren Vorteil gegenüber Radioteleskopen mit einer einzigen Parabolantenne. MeerKAT kann die Himmelsposition neuer Quellen mit sehr hoher Präzision bestimmen, weil die Einzelantennen bis zu 8 Kilometer voneinander entfernt sind. Das ermöglicht schnelle Folgeuntersuchungen bei anderen Wellenlängen.

Neun neue Millisekunden-Pulsare
Die Suche nach Pulsaren in den großen Datenmengen, die während der TRAPUM-Beobachtungen entstehen, erfordert viel Rechenleistung und eine schnelle Verarbeitung, um Speicherplatz für weitere Beobachtungen freizugeben.

„Wir haben speziell entwickelte Datenanalyse-Methoden verwendet, die auf 120 Grafikprozessoren (GPUs) in einem speziellen Computer-Cluster laufen, um unsere MeerKAT-Beobachtungen zu sichten. Wir haben schnell neun Kandidaten für Millisekunden-Pulsare gefunden, die wir alle durch zusätzliche MeerKAT-Beobachtungen bestätigen konnten“, sagt Ewan Barr, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und TRAPUM-Projektwissenschaftler. „Es ist großartig, dass wir diese Bestätigungsbeobachtungen auch dazu nutzen konnten, die Himmelspositionen zu verfeinern, da MeerKAT in der Lage ist, viele nahe beieinander liegende Himmelspositionen gleichzeitig zu beobachten. Das ist von unschätzbarem Wert für Folgeuntersuchungen bei verschiedenen Wellenlängen.“

Ein enges Doppelsternsystem aus einem Pulsar und einem Weißen Zwerg
Eine der Entdeckungen, PSR J1526-2744, wurde anschließend genau untersucht. Nach der Entdeckung dieses Radiopulsars in einem Doppelsternsystem spürten die Forschenden auch die Gammastrahlenpulsationen des Neutronensterns auf. Mit Hilfe aller verfügbaren Fermi-Daten konnten sie die Bahnbewegung genau untersuchen und die Eigenschaften des Doppelsternsystems bestimmen. Höchstwahrscheinlich umkreist der Neutronenstern das gemeinsame Massenzentrum mit einem leichten Weißen Zwerg in etwas weniger als fünf Stunden. Dies wäre die zweitkürzeste bekannte Umlaufzeit eines solchen Doppelsystems.

Das Team suchte auch nach kontinuierlichen Gravitationswellen von PSR J1526-2744. Wäre der Neutronenstern verformt, so würde er Gravitationswellen mit der doppelten Rotationsfrequenz aussenden. Die Forschenden nutzten alle öffentlich verfügbaren Advanced-LIGO-Daten aus den Beobachtungsläufen O1, O2 und O3. Da sie die Bewegung des Pulsars im Doppelsternsystem aufgrund der Gammastrahlenbeobachtungen genau kannten, erreichte das Forscherteam die höchstmögliche Empfindlichkeit für die Suche nach Gravitationswellen.

Gravitationswellen
Auch wenn sie von PSR J1526-2744 keine kontinuierlichen Gravitationswellen beobachteten, konnten sie messen, wie weit der Neutronenstern von der perfekten Achsensymmetrie abweicht. „Wir wissen jetzt, dass PSR J1526-2744 tatsächlich sehr symmetrisch ist. Wir haben gezeigt, dass der Äquator des Neutronensterns nicht viel mehr als der Durchmesser eines menschlichen Haares von einem perfekten Kreis abweichen kann,“ sagt Anjana Ashok, Doktorandin in der permanenten unabhängigen Max-Planck-Forschungsgruppe „Kontinuierliche Gravitationswellen“ am AEI Hannover. Sie leitete die Suche nach Gravitationswellen.

Zwei weitere Pulsare, PSR J1036-4353 und PSR J1803-6707, sind typische „Redback“-Pulsarsysteme, die aus Neutronensternen mit Begleitsternen von mindestens einem Viertel der Masse unserer Sonne bestehen. Diese Pulsare verdampfen und zerstören ihre Begleiter im Laufe der Zeit, ähnlich den namensgebenden australischen Rotrückenspinnen, deren Weibchen die Männchen nach der Paarung auffressen.

Nach der schnellen und präzisen Bestimmung der Pulsarpositionen mit den einzigartigen Fähigkeiten von MeerKAT wurden die Pulsarbegleiter im Sternkatalog der Astrometrie-Mission Gaia identifiziert und im optischen Spektrum mit der ULTRACAM-Kamera am New Technology Telescope der ESO untersucht. Darüber hinaus fand man Röntgenstrahlung von PSR J1803-6707 in Daten der ersten eROSITA-Gesamtdurchmusterung. Die Röntgenstrahlung stammt wahrscheinlich von dem energiereichen Pulsarwind, der auf das vom Begleiter verdampfte Material trifft. Sie ist typisch für Redback-Systeme.

Pulsare, die sich im Katalog verstecken
Es ist schwierig, die Anzahl der noch unentdeckten Pulsare abzuschätzen, die sich hinter nicht identifizierten pulsar-ähnlichen Fermi-Quellen verstecken. Dennoch sind die Fachleute sicher, dass zukünftige Beobachtungen noch mehrere Millisekunden-Pulsare aufspüren können. In der Zielliste gibt es weitere Kandidaten, die sehr wahrscheinlich Pulsare sind. Allerdings zeigten sie auch in mehreren Durchmusterungen bisher keine pulsierenden Radiowellen oder Gammastrahlen. Neue Teleskope, Analysemethoden und wiederholte Beobachtungsversuche könnten eines Tages beweisen, dass sie Pulsare sind. Mit weiterhin zunehmender Beobachtungszeit von Fermi wird der Quellenkatalog wachsen und weitere pulsar-ähnliche Quellen werden auftauchen und zu potenziellen Zielen werden.

„Unsere Ergebnisse, die nur die ersten der TRAPUM-Durchmusterung von Fermi-Quellen sind, zeigen bereits das große Potenzial von MeerKAT. Mit MeerKAT und einer speziellen Software sind wir nicht nur in der Lage, neue Millisekunden-Pulsare zu entdecken, sondern auch schnell und präzise zu lokalisieren“, sagt Clark. „Die MeerKAT-Beobachtungen sind eine große Hilfe bei der Nachverfolgung bei mehreren Wellenlängen, bei der Suche in Katalogen und bei zukünftigen Beobachtungen – mit anderen Worten: sie machen Millisekunden-Pulsare zu einem Geschenk, das immer weiter beschenkt.“

Hintergrundinformation
Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskop ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten für das SKA-Observatorium mit Sitz in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop-Netzwerk wird demnächst durch eine zusätzliche Anzahl von Parabolantennen zu „MeerKAT+“ erweitert. Dieses wird später schrittweise in das SKAO-Teleskopnetzwerk für eine mittleren Frequenzbereich integriert, dessen Bau bereits begonnen hat und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen von MeerKAT+ könnten bereits 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

TRAPUM („TRAnsients and PUlsars with MeerKAT“) ist eines der sogenannten „Large Survey Proposals“, die mit MeerKAT durchgeführt werden. Es handelt sich um eine internationale Zusammenarbeit unter der Leitung der Universität Manchester und des MPIfR, an der auch Einrichtungen wie INAF in Italien, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in den USA und das „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) beteiligt sind.

Originalveröffentlichung
The TRAPUM L-band survey for pulsars in Fermi-LAT gamma-ray sources
Colin Clark et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 519, Issue 4, March 2023, Pages 5590–5606, DOI: 10.1093/mnras/stac3742
https://academic.oup.com/mnras/article/519/4/5590/6973222

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Eine internationale Gruppe von Astronomen unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und der University of British Columbia (UBC) in Vancouver hat erste Ergebnisse eines groß angelegten Programms vorgestellt, bei dem Beobachtungen mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop dazu verwendet werden, die Theorien von Einstein mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu testen. Das Programm mit dem Namen „Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) und die ersten Ergebnisse werden in einem heute veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ beschrieben.

Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein gehört zu den bestuntersuchten Theorien der Physik und stellt die derzeit beste Beschreibung der Gravitation dar. Dennoch bleiben Fragen wie die nach der Natur der „Dunklen Materie“ oder der „Dunklen Energie“ unbeantwortet, und mögliche Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie werden nach wie vor untersucht. Hier bietet die Erforschung von Binärpulsaren, Sternen extrem hoher Dichte, die sowohl als kosmische Leuchttürme als auch als präzise Uhren fungieren, einzigartige Einblicke, die andere Experimente, etwa mit Gravitationswellendetektoren oder Satellitenmissionen, ergänzen.

Pulsare sind nur etwa 24 km groß und bestehen hauptsächlich aus Neutronen. Mit Massen bis etwa zweifacher Sonnenmasse sind sie die extremsten Objekte im beobachtbaren Universum. Durch die Verfolgung ihrer Bewegung um einen möglichen Begleiter, einen anderen Neutronenstern oder einen größeren „Weißen Zwerg“, den freigelegten Kern eines gewöhnlichen Sterns am Ende seines Lebens, können Radioteleskope wie MeerKAT in Südafrika ihre Position in der jeweiligen Umlaufbahn auf nur etwa 30 Meter genau bestimmen! Dies kann eine Reihe von relativistischen Effekten in der Umlaufbewegung aufdecken, wie die Emission von Gravitationswellen oder die Auswirkungen auf die Ausbreitung von Licht in ihren starken Gravitationsfeldern.

Das MeerKAT-Teleskop ist ein hervorragendes neues Radioteleskop, das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) gebaut und betrieben wird. Es bietet eine hohe Empfindlichkeit durch die Kombination der Signale von 64 einzelnen 13-m-Antennen. Im Rahmen des „Large Survey Proposals“ MeerTime, das von Prof. Matthew Bailes von der Swinburne-Universität in Australien geleitet wird, war das Projekt „Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) unter der Leitung von Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR, Bonn, und Prof. Ingrid Stairs, University of British Columbia in Kanada, das am besten bewertete Wissenschaftsprogramm, das für MeerKAT vorgeschlagen wurde. Das internationale RelBin-Team mit Kollegen aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika präsentiert nun die ersten Ergebnisse aus diesem Programm.

RelBin konzentriert sich in erster Linie auf die Beobachtung von relativistischen Effekten in Pulsar-Binärsystemen, um Präzisionsmessungen der Massen von Neutronensternen und Tests von Gravitationstheorien zu ermöglichen. Auch wenn detaillierte Ergebnisse erst nach vielen weiteren Monaten der Beobachtung zu erwarten sind, kann das Team bereits jetzt zeigen, dass die Beobachtungen mit MeerKAT die vorhandenen Daten von anderen Teleskopen typischerweise um einen Faktor 2-3, manchmal sogar um eine ganze Größenordnung, verbessern. Michael Kramer ist begeistert: „Die Leistung von MeerKAT ist besser als wir erwartet haben! Wir können jetzt Experimente durchführen, die mit anderen Teleskopen nicht nur etwa 10 Jahre gedauert hätten, sondern wir können sie auch viel präziser durchführen.

Zu den untersuchten Quellen gehört das berühmte Doppelpulsar-System, in dem sich zwei Pulsare in nur 2,5 Stunden umkreisen. Die Co-Leiterin des Projekts, Ingrid Stairs, erklärt: „Wir können dieses System jetzt viel genauer untersuchen. Das System ändert seine Bahnkonfiguration aufgrund relativistischer Effekte ständig, und wir können diese Effekte für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie sehr genau verfolgen.“

RelBin ist die bisher größte Studie von relativistischen Doppelpulsaren und zielt auch darauf ab, die Zahl präzise gemessener Massen von Neutronensternen zu erhöhen. Dr. Vivek Venkatraman Krishnan, Post-Doktorand am MPIfR und Mitorganisator der Arbeit, bringt dies auf den Punkt: „Die Masse von Neutronensternen gibt Aufschluss darüber, wie dicht wir die Materie im Universum packen können. Mit MeerKAT-Beobachtungen von relativistischen Effekten in der Bewegung von Neutronensternen in Binärsystemen können wir ihre Massen mit einer Genauigkeit von etwa 1% oder besser messen und damit möglicherweise eine Reihe von Modellen, die von Kernphysikern vorgeschlagen wurden, beweisen oder ausschließen.“

Das Team von Matthew Bailes an der Swinburne University of Technology hat die Supercomputer-Infrastruktur entwickelt, die täglich fast 300 Millionen Megabyte an Input vom Teleskop verdaut und in wissenschaftlich verwertbare Daten umwandelt. „MeerKAT ist ein perfektes Beispiel für ein global umfassendes Wissenschaftsprojekt, bei dem Experten aus der ganzen Welt zusammenkommen, um ein fantastisches Instrument zu bauen, das die Einsteinschen Gesetze auf Herz und Nieren prüft“, sagt er.

Das von SARAO betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, aufgebaut in Südafrika. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst von der Max-Planck-Gesellschaft in Zusammenarbeit mit SARAO und dem INAF in Italien um eine Anzahl zusätzlicher Reflektorantennen erweitert. Dieses Projekt unter der Bezeichnung „MeerKAT+“ wird die Fähigkeiten von MeerKAT verbessern. Das Teleskop soll später schrittweise in das Mid-Teleskop des SKAO integriert werden. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit dem verbesserten MeerKAT-Teleskop könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, noch während der Testphase des Teleskops.

„Wir möchten unseren südafrikanischen Kollegen einfach zu ihrer großartigen Leistung gratulieren. Wir sind stolz und dankbar, dass wir das Teleskop zusammen mit unseren afrikanischen Kollegen für unsere gemeinsamen Studien nutzen können. Bleiben Sie dran für viele weitere spannende Ergebnisse!“, schließt Michael Kramer.

Hintergrundinformation
Das vom „South African Radio Astronomy Observatory“ (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des SKA-Projekts, das in Südafrika stehen wird. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst um weitere Parabolantennen zum Projekt „MeerKAT+“ erweitert. Das Teleskop wird später schrittweise in das SKA-Projekt integriert, dessen Bau demnächst beginnt und bis 2028 andauern wird. Die ersten wissenschaftlichen Beobachtungen mit MeerKAT+ könnten bereits im Jahr 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

MeerTIME ist ein „Large Survey Proposal“, für das MeerKAT-Teleskopnetzwerk, geleitet von der „Swinburne University of Technology“ in Zusammenarbeit mit mehreren australischen Instituten sowie INAF, der University of Manchester, dem MPIfR, dem NRAO und dem SARAO.

„Relativistic and Binary Pulsars“ (RelBin) ist ein Wissenschaftsprogramm im Rahmen des „Large Survey Proposals“ MeerTime, zur systematischen Untersuchung von Pulsarbinärsystemen für Tests der Gravitation. Das Programm wird von Prof. Michael Kramer, Direktor am MPIfR in Bonn, und Prof. Ingrid Stairs von der University of British Columbia (UBC) geleitet. Das internationale Forschungsteam von RelBin umfasst Wissenschaftler aus Afrika, Australien, Europa und Nordamerika.

Das Forscherteam für die Veröffentlichung umfasst Michael Kramer, Ingrid H. Stairs, Vivek Venkatraman Krishnan, Paulo C. C. Freire, Federico Abbate, Matthew Bailes, Marta Burgay, Sandra Buchner, David J. Champion, Ismaël Cognard, Tasha Gautam, Marisa Geyer, Lucas Guillemot, Huanchen Hu, Gemma Janssen, Marcus E. Lower, Aditya Parthasarathy, Andrea Possenti, Scott Ransom, Daniel J. Reardon, Alessandro Ridolfi, Maciej Serylak, Ryan M. Shannon, Renée Spiewak, Gilles Theureau, Willem van Straten, Norbert Wex, Lucy S. Oswald, Bettina Posselt, Charlotte Sobey, Ewan D. Barr, Fernando Camilo, Benjamin Hugo, Andrew Jameson, Simon Johnston, Aris Karastergio, Michael Keith und Stefan Osłowski. Elf der Autoren (Kramer, Venkatraman Krishnan, Freire, Abbate, Champion, Gautam, Hu, Parthasarathy, Ridolfi, Wex and Barr) haben eine Affiliation mit dem MPIfR.

Originalveröffentlichung
The Relativistic Binary Programme on MeerKAT: Science objectives and first results
M. Kramer et al.,
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), Volume 504, Issue 2, June 2021, Pages 2094–2114),
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stab375

The Relativistic Binary Programme on MeerKAT: Science objectives and first results
arXiv-Preprint (Kramer et al. 2021, MNRAS Volume 504, Issue 2, June 2021, Pages 2094–2114)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung des italienischen Nationalen Instituts für Astrophysik (INAF) und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn hat mit dem südafrikanischen MeerKAT-Radioteleskop acht Millisekunden-Pulsare entdeckt, die sich in Kugelsternhaufen mit hoher Sterndichte befinden. Millisekundenpulsare sind Neutronensterne und damit die dichtesten bekannten Sterne, die sich bis zu 700 Mal pro Sekunde um ihre Achse drehen. Die Ergebnisse basieren auf der Forschungsarbeit im Rahmen von zwei internationalen Kollaborationen, TRAPUM und MeerTIME, und werden in einem heute veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ detailliert beschrieben.

Millisekunden-Pulsare sind extrem kompakte Sterne, die hauptsächlich aus Neutronen bestehen, und gehören zu den außergewöhnlichsten Objekten im Universum. Sie packen das Hunderttausendfache der Erdmasse in eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 24 km und sie drehen sich mit einer Rate von Hunderten von Umdrehungen pro Sekunde um ihre Achse. Sie senden einen Strahl von Radiowellen aus, der den Beobachter bei jeder Rotation streift, wie das Leuchtfeuer bei einem Leuchtturm. Die Entstehung dieser Objekte ist in Umgebungen hoher Sterndichte in den Zentren von Kugelsternhaufen stark begünstigt.

„Wir haben die MeerKAT-Antennen auf neun Kugelsternhaufen ausgerichtet und konnten in sechs von ihnen neue Pulsare entdecken“, sagt der Erstautor Alessandro Ridolfi, der als Post-Doc bei INAF und MPIfR arbeitet. Fünf dieser neuen Pulsare kreisen jeweils um einen anderen Stern, wobei einer von ihnen, PSR J1823-3021G, sich als besonders interessant herausstellt. „Aufgrund seiner stark elliptischen Umlaufbahn und seines massereichen Begleiters ist dieses System wahrscheinlich das Ergebnis eines Partnertauschs: Nach einer nahen Begegnung wurde der ursprüngliche Partner vertrieben und durch einen neuen Begleitstern ersetzt“, so Ridolfi weiter.

Tasha Gautam, Doktorandin am MPIfR in Bonn und Mitautorin der Arbeit, erklärt: „Dieser spezielle Pulsar könnte eine hohe Masse haben, mehr als das Doppelte der Masse der Sonne, es könnte aber auch das erste bestätigte System sein, das sich aus einem Millisekunden-Pulsar und einem Neutronenstern zusammensetzt. Wenn dies durch die aktuellen zusätzlichen Beobachtungen bestätigt wird, würde dieser Millisekunden-Pulsar ein hervorragendes Testfeld für neue Erkenntnisse in fundamentaler Physik darstellen.“

Die acht neuen Pulsare sind dabei nur die Spitze des Eisbergs. In den Beobachtungen, die zu ihrer Entdeckung führten, wurden nur etwa 40 der insgesamt 64 MeerKAT-Antennen verwendet und sie konzentrierten sich lediglich auf die zentralen Regionen der Kugelsternhaufen.

„Das MeerKAT-Radioteleskop stellt einen großen technologischen Fortschritt für die Erforschung und das Studium von Pulsaren am Südhimmel dar“, sagt Andrea Possenti von INAF, der Koordinator der Pulsarbeobachtungen in Kugelsternhaufen für die MeerTIME-Kollaboration. „In den nächsten Jahren wird MeerKAT voraussichtlich Dutzende von neuen Millisekunden-Pulsaren finden und uns einen Vorgeschmack auf das geben, was mit der zukünftigen Inbetriebnahme der Mittelfrequenz-Antennen des SKA-Observatoriums möglich werden wird. Das wird viele Bereiche der Astrophysik revolutionieren, darunter auch die Untersuchung von Pulsaren.“

Ridolfi, Gautam und Possenti sind Mitglieder der „TRAnsients and PUlsars with MeerKAT“ (TRAPUM) Kollaboration, einem „Large Survey Proposal“ für MeerKAT mit einer umfassenden internationalen Zusammenarbeit von Astronomen, die von den Möglichkeiten begeistert sind, die MeerKAT ihnen eröffnet. Für diese spezielle Arbeit teilten sie sich die Teleskopzeit mit einem zweiten „Large Survey Proposal“ für MeerKAT, MeerTIME, das MeerKAT dazu nutzt, bereits bekannte Pulsare mit bisher nicht erreichter Präzision zu untersuchen.

Diese Arbeit diente der TRAPUM-Kollaboration als Modellversuch, um eine vollwertige Kugelsternhaufen-Durchmusterung zur Suche nach neuen Pulsaren besser planen zu können. Eine solche Durchmusterung läuft derzeit unter Einsatz aller 64 Parabolspiegel von MeerKAT (wodurch die Empfindlichkeit weiter erhöht wird). Sie wird die Suche auf viele weitere Kugelsternhaufen ausdehnen und auch deren äußere Regionen vermessen.

„In früheren Suchprogrammen nach Pulsaren in Kugelsternhaufen sind bereits etliche bizarre und extreme Doppelpulsare entdeckt worden. Mit neuen Instrumenten wie MeerKAT werden wir sicherlich weitere dieser extremen Systeme entdecken können, die uns mehr über die grundlegenden Gesetze unseres Universums verraten“, schließt Paulo Freire, ein weiterer Mitautor vom MPIfR.

Hintergrundinformation
Das vom „South African Radio Astronomy Observatory” (SARAO) betriebene MeerKAT-Teleskopnetzwerk ist das größte Radioteleskop der südlichen Hemisphäre und eines von zwei Vorläuferinstrumenten des Square Kilometre Array Observatory (SKAO), das in Südafrika aufgebaut wurde. Das in der Karoo-Wüste gelegene Radioteleskop wird demnächst um zusätzliche 20 Parabolspiegel erweitert („MeerKAT+“), wodurch die Gesamtzahl der Antennen auf 84 ansteigen wird. MeerKAT wird später schrittweise in die erste Phase des SKAO-Projekts integriert, dessen Bau demnächst beginnt und bis 2027 andauern wird. Erste wissenschaftliche Beobachtungen mit MeerKAT+ könnten bereits 2023 beginnen, während der Testphasen des Teleskops.

TRAPUM (TRAnsients and PUlsars with MeerKAT) ist eines der „Large Survey Proposals” für den Betrieb des MeerKAT-Radioteleskops. Es ist eine internationale Kollaboration, die von der University of Manchester und dem MPIfR geleitet wird und Institutionen wie INAF, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO) und das South African Radio Astronomy Observatory (SARAO) umfasst.

MeerTIME ist ebenfalls ein „Large Survey Proposal” für den Betrieb von MeerKAT. Es wird von der Swinburne University of Technology geleitet und verbindet mehrere australische Institutionen sowie INAF, University of Manchester, MPIfR, NRAO und SARAO.

Das Forschungsteam umfasst Alessandro Ridolfi, Tasha Gautam, Paulo C. C. Freire, Scott M. Ransom, Sarah J. Buchner, Andrea Possenti, Vivek Venkatraman Krishnan, Matthew Bailes, Michael Kramer, Benjamin W. Stappers, Federico Abbate, Ewan D. Barr, Marta Burgay, Fernando Camilo, Alessandro Corongiu, Andrew Jameson, Prajval V. Padmanabh, Laila Vleeschower, David J. Champion, Weiwei Chen, Marisa Geyer, Aris Karastergiou, Ramesh Karuppusamy, Aditya Parthasarathy, Daniel J. Reardon, Maciej Serylak, Ryan M. Shannon und Renée Spiewak. Zwölf der Autoren (Ridolfi, Gautam, Freire, Venkatraman Krishnan, Kramer, Abbate, Barr, Padmanabh, Champion, Chen, Karuppusamy, Parthasarathy) haben eine Affiliation mit dem MPIfR.

Originalveröffentlichung
Eight new millisecond pulsars from the first MeerKAT globular cluster census
A. Ridolfi et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 28. April 2021
(DOI: 10.1093/mnras/stab790)

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