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: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 18. Januar 2024.

18. Januar 2024 – Ein internationales Team von Astronominnen und Astronomen unter der Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie hat mit dem MeerKAT-Radioteleskop ein faszinierendes Objekt unbekannter Natur im Kugelsternhaufen NGC 1851 entdeckt. Es ist schwerer als die schwersten bekannten Neutronensterne und gleichzeitig leichter als die leichtesten bekannten Schwarzen Löcher und befindet sich in einer Umlaufbahn um einen sich schnell drehenden Millisekunden-Pulsar. Dies könnte die erstmalige Entdeckung eines Doppelsternsystems aus Radiopulsar und Schwarzem Loch sein, und damit einer Sternenpaarung, die neue Tests der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein ermöglichen würde.

Die Forschungsergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Neutronensterne, die ultradichten Überreste einer Supernova-Explosion, können nur eine bestimmte Maximalmasse erreichen. Sobald sie zu viel Masse angehäuft haben, zum Beispiel durch das Verschlucken eines anderen Sterns oder durch die Kollision mit einem anderen Neutronenstern, stürzen sie in sich zusammen. Was bei einem solchen Kollaps aus ihnen wird, ist Anlass für zahlreiche Spekulationen. Die vorherrschende Meinung ist jedoch, dass Neutronensterne zu schwarzen Löchern kollabieren, also zu Objekten, die ein so starkes Gravitationsfeld haben, dass nicht einmal Licht ihnen entkommen kann. Die Theorie, die durch Beobachtungen gestützt wird, besagt, dass die leichtesten schwarzen Löcher, die durch kollabierende Sterne entstehen können, etwa fünfmal mehr Masse haben als die Sonne. Dies ist erheblich mehr als die 2,2-fache Sonnenmasse, die für den Kollaps eines Neutronensterns erforderlich ist, was zu der so genannten Massenlücke bei Schwarzen Löchern führt. Die Art der kompakten Objekte in dieser Massenlücke ist bisher unbekannt. Eine detaillierte Untersuchung hat sich als schwierig erwiesen, da solche Objekte bisher nur durch Gravitationswellen aus dem fernen Universum entdeckt werden konnten.

Die Entdeckung eines Objekts in dieser Masselücke in unserer Milchstraße durch ein Team von Astronominnen und Astronomen der internationalen Kollaboration „Transients and Pulsars with MeerKAT“ (TRAPUM) könnte helfen, diese Objekte besser zu verstehen. Ihre Arbeit, die in dieser Woche in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wird, berichtet über ein massereiches Paar kompakter Sterne im Kugelsternhaufen NGC 1851 im südlichen Sternbild Columba (Taube). Durch den Einsatz des empfindlichen MeerKAT-Radioteleskops in Südafrika in Verbindung mit leistungsstarken Geräten, die von Ingenieuren des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn gebaut wurden, konnten sie schwache Impulse von einem der Sterne aufspüren und ihn als Radiopulsar identifizieren. Das ist eine Art Neutronenstern, der sich sehr schnell dreht und wie ein kosmischer Leuchtturm Radiosignale ins Universum sendet. Der neu entdeckte Pulsar mit der Bezeichnung PSR J0514-4002E dreht sich mehr als 170 Mal pro Sekunde um die eigene Achse, wobei jede Umdrehung einen rhythmischen Puls erzeugt, der dem Ticken einer Uhr gleicht. Das Ticken dieser Pulse erfolgt extrem regelmäßig. Durch die Messung kleiner Abweichungen, das sogenannte Pulsar-Timing, waren die Forscher in der Lage, äußerst präzise Bestimmungen der Orbitalbewegung des Pulsars vorzunehmen. „Stellen Sie sich vor, Sie könnten eine fast perfekte Stoppuhr in die Umlaufbahn eines fast 40.000 Lichtjahre entfernten Sterns bringen und dann die Zeit der Umläufe mit Mikrosekundengenauigkeit messen“, sagt Ewan Barr, der die Studie zusammen mit seiner Kollegin Arunima Dutta, Doktorandin am MPIfR, geleitet hat.

Dadurch war eine präzise Bestimmung der Position des Systems möglich. Es stellte sich heraus, dass das Objekt, das den Pulsar umkreiste, und das in den Bildern des Hubble-Weltraumteleskops von NGC 1851 nicht zu sehen ist, kein normaler Stern sein kann, sondern der extrem dichter Überrest eines kollabierten Sterns. Darüber hinaus zeigte die beobachtete zeitliche Veränderung des Punktes der größten Annäherung zwischen den beiden Sternen, dass der Begleiter eine Masse hat, die gleichzeitig größer als die jedes bekannten Neutronensterns und kleiner als die jedes bekannten Schwarzen Lochs ist. Damit fällt er genau in die Massenlücke des Schwarzen Lochs.

„Was auch immer dieses Objekt ist, es ist eine aufregende Nachricht“, sagt Paulo Freire, ebenfalls vom MPIfR. „Wenn es sich um ein Schwarzes Loch handelt, ist es das erste bekannte Pulsar-Schwarzes-Loch-System, dessen Entdeckung seit Jahrzehnten den Heilige Gral der Pulsarastronomie darstellt! Wenn es sich um einen Neutronenstern handelt, wird dies grundlegende Auswirkungen auf unser Verständnis des unbekannten Zustands der Materie bei diesen unglaublichen Dichten haben!“

Die Forscher gehen davon aus, dass die Entstehung des massereichen Objekts und seine anschließende Verbindung mit dem sich schnell drehenden Radiopulsar auf einer engen Umlaufbahn das Ergebnis eines eher exotischen Vorgangs ist (Abb. 3), die nur aufgrund der besonderen lokalen Umgebung möglich war. Das System befindet sich im Kugelsternhaufen NGC 1851, einer dichten Ansammlung alter Sterne, die viel dichter gepackt sind als die Sterne im übrigen Teil der Galaxis. Durch den geringen Abstand können die Sterne gegenseitig ihre Bahnen stören und im Extremfall sogar miteinander kollidieren. Aus einer solchen Kollision dürfte das jetzt entdeckte Objekt entstanden sein. Bevor jedoch der jetzige Doppelstern entstand, muss der Radiopulsar zunächst Material von einem Spenderstern in einem sogenannten massearmen Röntgendoppelsternsystem erhalten haben. Ein solcher „Recycling“-Prozess ist notwendig, um den Pulsar auf seine aktuelle Rotationsrate zu beschleunigen. Das Team glaubt, dass dieser Spenderstern dann in einem so genannten Austauschvorgang durch das heutige massereiche Objekt ersetzt wurde. „Dies ist der exotischste binäre Pulsar, der bisher entdeckt wurde“, sagt Thomas Tauris von der Universität Aalborg, Dänemark. „Seine lange und komplexe Entstehungsgeschichte stößt an die Grenzen unserer Vorstellungskraft.“

Die Wissenschaftler können noch nicht abschließend sagen, ob sie den massereichsten bekannten Neutronenstern, das leichteste bekannte Schwarze Loch oder gar eine neue exotische Sternvariante entdeckt haben. Sicher ist jedoch, dass sie ein einzigartiges Labor zur Erforschung der Eigenschaften von Materie unter den extremsten Bedingungen im Universum gefunden haben.

„Wir sind mit diesem System noch nicht fertig“, sagt Arunima Dutta. Sie führt weiterhin aus: „Die Aufdeckung der wahren Natur des Begleiters wird einen Wendepunkt in unserem Verständnis von Neutronensternen, Schwarzen Löchern und allem, was sonst noch in der Massenlücke des Schwarzen Lochs lauern könnte, darstellen.“

Weitere Informationen
MeerKAT: 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-Observatoriums (SKAO) in Südafrika. Das in der Karoo-Halbwüste gelegene Radioteleskop wird demnächst im Rahmen des von SARAO und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) gemeinsam finanzierten Projekts „MeerKAT+“ um eine zusätzliche Anzahl von Parabolspiegeln erweitert werden. MeerKAT wird später schrittweise in das „Mid-Frequency“–Teleskop des SKAO in Südafrika integriert.

TRAPUM: „Transients and Pulsars with MeerKA“ (TRAPUM) ist ein laufendes Durchmusterungsprojekt mit dem Radioteleskop MeerKAT. Die Mitglieder des Projekts bilden eine internationale Kollaboration von Universitäten und Forschungsinstituten aus 10 Ländern unter der Leitung von Prof. Michael Kramer (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland) und Prof. Benjamin Stappers (University of Manchester, Großbritannien). Das Ziel der TRAPUM-Durchmusterung und der Zusammenarbeit ist die Beobachtung von Quellen von besonderem Interesse bei der Suche nach Radiopulsaren. Die Beobachtungen konzentrieren sich auf von Fermi-LAT entdeckte Gammastrahlenquellen, Kugelsternhaufen, Supernovaüberreste und nahe Galaxien. Bis heute wurden im Rahmen von TRAPUM und seiner Schwesterprojekte mehr als 200 Pulsare mit MeerKAT entdeckt.

Entstehungsgeschichte von NGC 1851E: Eine mögliche Geschichte der Entwicklung des NGC 1851E-Systems wird in Abbildung 3 dargestellt. Auf der linken Seite der Abbildung wird gezeigt, wie der Millisekunden-Pulsar PSR J0514-4002E (MSP) durch den Einfang von Materie aus einem stellaren Begleiter in einem massearmen Röntgendoppelstern (LMXB) ins Trudeln geriet. Was nach dem Stadium des massearmen Röntgendoppelsterns übrig bleibt, sind ein sich schnell drehender Pulsar und ein Weißer Zwerg, die einander umkreisen – eine typische Konfiguration, die in der gesamten Galaxis zu beobachten ist. Rechts wird die Entstehung des massereichen Begleitobjekts gezeigt. Hier sind zwei Neutronensterne im Orbit (NS + NS). Der Energieverlust durch die Emission von Gravitationswellen lässt diese Umlaufbahn mit der Zeit schrumpfen, was schließlich zu einer explosiven Neutronensternfusion führt. Das Ergebnis der Fusion ist ein isoliertes massearmes Schwarzes Loch (BH) oder möglicherweise ein supermassereicher Neutronenstern. Zu einem späteren Zeitpunkt treffen das Schwarze Loch und der Doppelstern aus Pulsar und Weißem Zwerg aufeinander. Dabei wird der leichteste der drei Sterne, in diesem Fall der Weiße Zwerg, aus der Umlaufbahn geschleudert. Das Ergebnis ist ein stabiles Pulsar-Schwarzes-Loch-System.

Autoren der Veröffentlichung sind Ewan D. Barr, Arunima Dutta, Paulo C. C. Freire, Mario Cadelano, Tasha Gautam, Michael Kramer, Cristina Pallanca, Scott M. Ransom, Alessandro Ridolfi, Benjamin W. Stappers, Thomas M. Tauris, Vivek Venkatraman Krishnan, Norbert Wex, Matthew Bailes, Jan Behrend, Sarah Buchner, Marta Burgay, Weiwei Chen, David J. Champion, C. -H. Rosie Chen, Alessandro Corongiu, Marisa Geyer, Y. P. Men, Prajwal V. Padmanabh und Andrea Possenti. Von den Autoren haben Ewan Barr, Arunima Dutta, Paulo Freire, Tasha Gautam, Michael Kramer, Alessandro Ridolfi, Thomas Tauris, Vivek Venkatraman Krishnan, Norbert Wex, Jan Behrend, Weiwei Chen, David Champion, Rosie Chen, Y. P. Men und Prajwal Padmanabh eine Zugehörigkeit zum MPIfR.

Originalveröffentlichung
A pulsar in a binary with a compact object in the mass gap between neutron stars and black holes
E. Barr et al., Science, 19. Januar 2024, Vol 383, Issue 6680, pp. 275-279, DOI: 10.1126/science.adg3005
https://www.sciencenews.org/article/enigma-pulsar-companion-mass-ticks

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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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