Forschungsbericht 2012 - Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover

Entdeckung neuer Gammapulsare mittels innovativer Analysemethode aus der Gravitationswellenforschung

Autoren
Pletsch, Holger J.
Abteilungen
Experimentelle Relativität und Kosmologie (Bruce Allen)
Zusammenfassung
Pulsare sind schnell rotierende, hochmagnetisierte Neutronensterne, die wie ein Leuchtturm im Radio-, Röntgen- oder Gammawellenbereich blinken. Die Suche nach reinen Gammapulsaren ist extrem aufwendig und rechenintensiv. Auch mit modernsten Teleskopen wie dem Fermi-Satelliten werden pro Tag nur ein paar Gammaphotonen eines solchen Pulsars registriert. Dank einer effizienteren Analysetechnik, ursprünglich entwickelt zur Detektion von Gravitationswellen dieser schnell drehenden Neutronsterne, wurde eine Reihe bislang unbekannter und leuchtschwacher Gammapulsare in den Fermi-Daten entdeckt.

Pulsare – Leuchttürme im Kosmos

Dem Phänomen der Pulsare liegen schnell rotierende Neutronensterne zugrunde, die ein äußerst starkes Magnetfeld besitzen und in einer Supernova-Explosion entstanden sind. Die namensgebende Eigenschaft des Pulsierens basiert auf einem Leuchtturmeffekt: Geladene Teilchen werden entlang der Magnetfeldlinien beschleunigt und emittieren dabei elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Frequenzen. Diese Strahlung ist kegelartig in Richtung der magnetischen Pole gebündelt. Typischerweise ist die Rotationsachse des Neutronensterns gegen die magnetische Achse geneigt, so schweifen die Strahlungskegel wie bei einem Leuchtturm durch das Weltall (Abb. 1). Der Neutronenstern ist dann als Pulsar detektierbar, sofern die räumliche Orientierung erlaubt, dass der Strahlungskegel während einer Umdrehung auch die Blickrichtung des Beobachters überstreicht.

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Abb. 1: Illustration des Gammapulsar-Phänomens. Im starken Magnetfeld (blau) eines schnell rotierenden Neutronensterns (orange) werden geladene Teilchen entlang der offenen Feldlinien beschleunigt und erzeugen dabei Gammastrahlung (magenta).
Abb. 1: Illustration des Gammapulsar-Phänomens. Im starken Magnetfeld (blau) eines schnell rotierenden Neutronensterns (orange) werden geladene Teilchen entlang der offenen Feldlinien beschleunigt und erzeugen dabei Gammastrahlung (magenta).

Pulsare rotieren mit Perioden von Sekunden bis hin zu Millisekunden. Die zur Strahlungsabgabe benötigte Energie wird im Regelfall der Rotationsenergie des Pulsars entnommen, somit verlangsamt sich dessen Drehung mit der Zeit. Erstmals wurden diese kosmischen Leuchttürme im Radiofrequenzbereich im Jahre 1967 entdeckt. Heute kennt man etwa 2.000 solcher Radiopulsare. Außerdem sind auch Pulsare bekannt, die im Röntgen- und Gammastrahlenbereich aufleuchten, wobei deren Anzahl im Vergleich weitaus geringer ist. Auch wenn nicht alle Pulsare in allen Frequenzbereichen sichtbar sind, ist davon auszugehen, dass sie über das ganze Frequenzspektrum emittieren. Um die Entstehung der jeweiligen Strahlung besser zu verstehen, ist eine möglichst große Stichprobe an Pulsaren in allen Frequenzbereichen erforderlich.

Die Suche nach der Nadel im kosmischen Heuhaufen

Das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi der NASA ermöglicht erstmals auch die Detektion von neuen Pulsaren anhand ihrer Gammastrahlung. Verzeichnet das Large Area Telescope (LAT) an Bord des Fermi-Satelliten eine signifikante Häufung an Gammaphotonen aus einer bestimmten Himmelsrichtung, wird diese als Gammastrahlenquelle katalogisiert. Der kürzlich von Fermi veröffentlichte Katalog [1] basiert auf Messdaten von zwei Jahren und enthält 1.873 Quellen (Abb. 2). Bei etwa einem Drittel davon ist der Quellenursprung unklar und Gammapulsare kommen in Frage. Nur über den direkten Nachweis der Periodizität in den Ankunftszeiten der Gammaphotonen aufgrund des Leuchtturmeffekts lässt sich feststellen, ob es sich tatsächlich um einen Pulsar handelt.

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Vor der Fermi-Mission waren lediglich eine Hand voll Gammapulsare zweifelsfrei nachgewiesen, darunter nur ein einziger Gammapulsar ohne Pulsationen im Radiobereich. Mittels Fermi wurde nun die pulsierende Gammastrahlung von insgesamt über 100 Pulsaren registriert.

Die überwiegende Mehrheit der bislang von Fermi detektierten Gammapulsare war bereits als Radiopulsare bekannt. In diesem Fall ist die Suche nach zusätzlich pulsierender Gammastrahlung ohne großen Rechenaufwand möglich. Da die Radiodaten eine genaue Himmelsposition, Rotationsperiode und zeitliche Änderung der Rotationsperiode des Pulsars offenbaren, lässt sich damit leicht herausfinden, ob die Ankunftszeiten der detektierten Gammaphotonen diesen Parametern entsprechen oder nicht.

Eine Blindsuche ist im Gegensatz dazu erheblich aufwendiger und rechenintensiver, denn weder die exakte Himmelsposition noch die Rotationsperiode sind im Voraus bekannt. Die im Quellenkatalog von Fermi erfasste Himmelsrichtung gibt zwar einen ersten Hinweis, ist aber zur Pulsarortung zu grob. Folglich ist eine enorme Anzahl an Kombinationen von möglichen Pulsarparametern (Rotationsperiode, deren zeitliche Änderung sowie genaue Himmelsposition) durchzutesten.

Im Verlauf eines Jahres macht ein typischer Pulsar mehr als 100 Millionen Drehungen um die eigene Achse. Ebenso oft überstreicht sein Strahlungskegel die Blickrichtung eines Beobachters. Das Fermi-LAT detektiert jedoch durchschnittlich nur wenige Tausend Photonen von einem solchen Gammapulsar aufgrund dessen großer Entfernung. Bei derart niedriger Rate bedarf es Zeitspannen von vielen Monaten bis zu mehreren Jahren um genügend Gammaphotonen zum Nachweis der Pulsationen zu erhalten. Allerdings steigt gleichzeitig die Anzahl der durchzuprüfenden Kombinationen von Pulsarparametern mit hoher Potenz der Beobachtungszeit extrem rasch an. Die resultierende immens hohe Anzahl von Möglichkeiten, die getestet werden müssten, ist selbst mit modernsten Großrechnern auch in absehbarer Zukunft schlichtweg nicht zu bewältigen. Daher ist die Erforschung effizienterer Suchmethoden von essentieller Bedeutung.

Verfügbare Rechenleistung als Flaschenhals

Auf dem Gebiet der Gravitationswellenforschung trifft man auf das gleiche Problem der begrenzten Suchempfindlichkeit nach unbekannten Pulsaren durch endliche Rechenkapazität. Weisen nämlich schnell rotierende Neutronsterne in ihrer Form eine geringe Abweichung von der Achsensymmetrie auf, so führt dies gemäß Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zur Abstrahlung von periodischen Gravitationswellen und man kann von "Gravitationswellenpulsaren" sprechen. Diese Wellen breiten sich als Störungen der Raumzeitgeometrie mit Lichtgeschwindigkeit aus. Ihre Wechselwirkung mit Materie ist dabei allerdings äußerst schwach, sodass ihre direkte Beobachtung entsprechend schwierig ist und noch aussteht. Zu diesem Zweck werden weltweit mehrere hochempfindliche Gravitationswellendetektoren betrieben, unter anderem auch GEO600 in Hannover.

Neben der Sensitivität des Messinstruments kommt es dabei gleichermaßen auch auf die Datenanalyse an, da sich ein etwaiges Gravitationswellensignal nur schwach vom Hintergrundrauschen unterscheidet. Verbesserte Methoden zur effizienten Blindsuche nach unbekannten Gravitationswellenpulsaren werden am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) seit einigen Jahren intensiv erforscht. Ein Kernaspekt ist dabei, dass der gesamte Datensatz in kurze Segmente von wenigen Tagen unterteilt und anschließend die Analyseergebnisse der einzelnen Segmente effizient kombiniert werden können. Die neuesten Erkenntnisse [2,3] und Suchstrategien [4] wurden nun am AEI mit entsprechenden Anpassungen auf die Daten des Gammastrahlen-Weltraumteleskops Fermi angewandt. Die Effizienz der Suchmethode [5] erlaubte somit erstmals eine feinere Durchmusterung von Himmelspositionen um die jeweilige grobe Richtung der Quellen im Fermi-Katalog sowie die Kombination mit einer effektiven Wahrscheinlichkeitsgewichtung der einzelnen Photonen zur besseren Hintergrundunterdrückung.

Bisher unbekannte reine Gammapulsare aufgespürt

Am Computercluster ATLAS [6] des AEI in Hannover und der Leibniz Universität Hannover wurden, zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie und in internationaler Kooperation, Fermi-Daten mit der neuen Analysemethode durchforstet. Dabei führte eine erste Suche bereits nach wenigen Wochen zur Entdeckung von neun neuen Gammapulsaren (Abb. 2), die bis dahin "unsichtbar" waren und sich drei bis zwölf Mal pro Sekunde um die eigene Achse drehen [5]. Nur bei einem dieser Pulsare ließ sich im Nachhinein auch Radiostrahlung messen, entsprechend klassifiziert man die übrigen als "reine" Gammapulsare (einen davon zeigt Abb. 3).

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Zuvor hatten Wissenschaftler innerhalb des ersten Jahres nach dem Start des Fermi-Satelliten im Jahre 2008 in Blindsuchen 24 Gammapulsare gefunden. Im darauf folgenden Jahr wurden zwei weitere entdeckt, jedoch stagnierte die Anzahl seither. Die nun mithilfe der verbesserten Analysemethode aus der Gravitationswellenforschung entdeckten neun weiteren Gammapulsare emittieren im Vergleich zu den bislang bekannten reinen Gammapulsaren durchschnittlich weniger Photonen. Zudem ist bemerkenswert, dass damit die bekannte Population der reinen Gammapulsare um ein Drittel gestiegen ist.

Im Gegensatz zu Radiopulsaren beobachtet man bei den Gammapulsaren vornehmlich einen weitaus breiteren Strahlungskegel. Insbesondere die neue Klasse der reinen Gammapulsare widerlegt so die bisherige Annahme, dass die Gammastrahlung gleich der Radioemission nahe den magnetischen Polkappen entsteht. Stattdessen ist anzunehmen, dass der Ursprungsort der Gammastrahlen hoch über der Oberfläche des Neutronensterns liegt. Dies erklärt, dass je nach räumlicher Ausrichtung der Rotationsachse und Intensität des Strahlenkegels der Pulsar entweder als Radio- oder als Gammapulsar, oder sogar beides zugleich beobachtbar ist. Somit hilft die vergrößerte Population an Pulsaren deren Aufbau und Emissionsgeometrie schließlich besser zu erforschen.

Beteiligung privater Rechner an der Pulsarsuche

Die effizientere Analysemethode bedeutet zwar eine schnellere Datenanalyse und ermöglicht es somit auch erstmals, nach noch schneller rotierenden Gammapulsaren mit Perioden von wenigen Millisekunden zu suchen. Allerdings fordern Blindsuchen nach kürzeren Pulsar-Rotationsperioden deutlich längere Rechenzeiten, denn diese Relation skaliert mit der dritten Potenz.

Um die dafür zusätzlich benötigte Rechenleistung zu erreichen, wird seit kurzem auch ein Teil der Kapazität des Projekts für verteiltes Rechnen Einstein@Home [L1] verwendet. Mehr als eine Viertelmillion Menschen aus 192 Ländern stellen ihre Heimcomputer über Einstein@Home für die Suchen nach Gravitationswellen- [7] und Radiopulsaren [8] zur Verfügung. Seit August 2011 ist die Gammapulsarsuche in Fermi-Daten neu hinzugekommen. Die Forscher erhoffen sich davon insbesondere auch die Detektion des ersten reinen Gamma-Millisekundenpulsars. Eine solche Entdeckung wäre zudem ein weiterer entscheidender Beitrag zum besseren Verständnis von Pulsaren.

1.
The Fermi-LAT Collaboration
Fermi Large Area Telescope Second Source Catalog
http://fermi.gsfc.nasa.gov/ssc/data/access/lat/2yr_catalog/
2.
Pletsch, H. J.; Allen, B.
Exploiting Large-Scale Correlations to Detect Continuous Gravitational Waves
Physical Review Letters 103, 181102 (2009)
3.
Pletsch, H. J.
Parameter-Space Metric of Semicoherent Searches for Continuous Gravitational Waves
Physical Review D 82, 042002 (2010)
4.
Pletsch, H. J.
Sliding Coherence Window Technique for Hierarchical Detection of Continuous Gravitational Waves
Physical Review D 83, 122003 (2011)
5.
Pletsch, H. J.; Guillemot, L.; Allen, B.; Kramer, M.; Aulbert, C.; Fehrmann, H.; Ray, P. S.; Barr, E. D.; Belfiore, A.; Camilo, F.; Caraveo, P. A.; Celik, O.; Champion, D. J.; Dormody, M.; Eatough, R. P.; Ferrara, E. C.; Freire, P. C. C.; Hessels, J. W. T.; Keith, M.; Kerr, M.; de Luca, A.; Lyne, A. G.; Marelli, M.; McLaughlin, M. A.; Parent, D.; Ransom, S. M.; Razzano, M.; Reich, W.; Saz Parkinson, P. M.; Stappers, B. W.; Wolff, M. T.
Discovery of Nine Gamma-Ray Pulsars in Fermi-LAT Data Using a New Blind Search Method
The Astrophysical Journal 744, 105 (2012)
6.
Fehrmann, H.; Aulbert, C.
Gravitationswellensuche mit einem der weltweit größten Supercomputer
Forschungsbericht Max-Planck-Gesellschaft (2009)
7.
The LIGO Scientific Collaboration
Einstein@Home search for periodic gravitational waves in early S5 LIGO data
Physical Review D 80, 042003 (2009)
8.
Knispel, B.; Allen, B.; Cordes, J. M.; Deneva, J. S.; Anderson, D.; Aulbert, C.; Bhat, N. D. R.; Bock, O.; Bogdanov, S.; Brazier, A.; Camilo, F.; Champion, D. J.; Chatterjee, S.; Crawford, F.; Demorest, P. B.; Fehrmann, H.; Freire, P. C. C.; Gonzalez, M. E.; Hammer, D.; Hessels, J. W. T.; Jenet, F. A.; Kasian, L.; Kaspi, V. M.; Kramer, M.; Lazarus, P.; van Leeuwen, J.; Lorimer, D. R.; Lyne, A. G.; Machenschalk, B.; McLaughlin, M. A.; Messenger, C.; Nice, D. J.; Papa, M. A.; Pletsch, H. J.; Prix, R.; Ransom, S. M.; Siemens, X.; Stairs, I. H.; Stappers, B. W.; Stovall, K.; Venkataraman, A.
Pulsar Discovery by Global Volunteer Computing
Science 329, 1305 (2010)
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