2.03.2018
Distributed volunteer computing project finds two rapidly rotating neutron stars in data from Fermi gamma-ray space telescope
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“We made these two new discoveries in our large-scale Einstein@Home gamma-ray pulsar survey. This feat was only possible by using novel and more efficient search methods, improved Fermi Large Area Telescope (LAT) data, and the huge computing power provided by Einstein@Home,” says Dr. Colin Clark from Jodrell Bank Centre for Astrophysics, lead author of the paper published in Science Advances, who was a doctoral student at the Max Planck Institute for Gravitational Physics when he made the discoveries. “After we found the two millisecond pulsars with Einstein@Home we pointed a large radio telescope at them and expected to find their pulsed radio emission. That was the case for every other millisecond pulsar known until then. To our surprise one of our discoveries remained entirely radio-quiet.”
This shows that these “blind” gamma-ray pulsar searches have the potential to discover a hitherto unknown population of radio-quiet millisecond pulsars. These might be behind other unidentified Fermi-LAT sources, or the gamma-ray glow seen towards the center of our Galaxy.
Born in supernova explosions
Neutron stars are compact remnants from supernova explosions and consist of exotic, extremely dense matter. They measure about 20 kilometers across and weigh more than our Sun. Because of their strong magnetic fields and fast rotation they emit beamed radio waves and energetic gamma rays similar to a cosmic lighthouse. If these beams point towards Earth during the neutron star's rotation, it becomes visible as a pulsating radio or gamma-ray source – a so-called pulsar.
Millisecond pulsars form when a pulsar is spun up by accreting matter from a companion star. The inflow of material from the partner star can accelerate the pulsar up to hundreds of rotations in a single second. Once the accretion ends, the rapidly rotating neutron star can be observed as a millisecond pulsar.
Two new millisecond pulsars
The new publication describes the discovery of two previously unknown gamma-ray pulsars, which are called PSR J1035−6720 and PSR J1744−7619 after their respective sky positions. The first of the two city-sized neutron stars spins a dazzling 348 times each second, and the latter 213 times each second. After the initial discoveries, their astrophysical parameters were refined by a re-analysis of the Fermi-LAT data.
These improved parameters were used to search for the radio pulsations of the two sources in archival radio telescope data and in new observations with the Parkes Radio Telescope. While PSR J1035−6720 was discovered as an unusually faint radio millisecond pulsar, no radio waves at all were detected from PSR J1744−7619. This makes it the first radio-quiet millisecond pulsar ever discovered.
A hidden pulsar population
It is possible that the lighthouse-like radio beams of PSR J1744−7619 do not point towards Earth, while the gamma-ray beams do. The researchers addressed this question by comparing the observed gamma-ray emission with theoretical models. They showed that the models that describe the gamma-ray emission well, predict a detectable radio signal. Its absence means that PSR J1744−7619 must either be extremely radio-faint, or that the models must be incomplete.
According to some predictions, the observed excess of high-energy gamma-radiation from the central region of the Milky Way could be due to a hidden population of thousands of millisecond pulsars. While only a handful might be detectable with current large radio telescopes, gamma-ray searches might have a better chance of finding more of these sources.
Einstein@Home searches for gamma-ray pulsars hidden in binary systems
“With the help of our volunteers we searched through 152 unidentified pulsar-like sources from the Fermi-LAT Catalog,” says Prof. Dr. Bruce Allen, director of Einstein@Home and director at the Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hanover. “We have shown that 19 of these do not only look like pulsars, they in fact are pulsars and in some cases quite unusual to boot. Personally, I would bet that many of the remaining 133 are also pulsars, but hidden in binary systems, where they are more difficult to find. At the moment Einstein@Home is chasing after those binary pulsars and I hope we will soon find some.”
“This is a marvelous example of modern-day astrophysics: we use expertise from gravitational wave astronomy to cleverly analyze gamma-ray data in order to reveal sources that complement our knowledge from radio observations. Brilliant,” concludes Michael Kramer, director at Max Planck Institute for Radio Astronomy, head of its “Fundamental Physics in Radio Astronomy” research department, and co-author of the paper.
Additional information: Who made the discoveries?
The discoveries were enabled by tens of thousands of Einstein@Home volunteers who have donated their CPU time to the project. Without them this survey could not have been performed and these discoveries could not have been made. The team is especially grateful to those volunteers whose computers discovered the 2 pulsars reported in the Science Advances publication (where the volunteer’s name is unknown or private, we give the Einstein@Home username in quotation marks):
- PSR J1035−6720: “WSyS”; Kurt Kovacs, of Seattle Washington, USA; and the ATLAS Cluster, AEI, Hannover, Germany.
- PSR J1744−7619: Darrell Hoberer, of Gainesville, TX, USA; the ATLAS Cluster, AEI, Hannover, Germany; Igor Yakushin of Chicago, IL, USA and the LIGO Laboratory, USA; and Keith Pickstone of Oldham, UK.
Additional information: Einstein@Home quick facts
Einstein@Home is a distributed volunteer computing and connects computers and smartphones from the general public from all over the world. The project volunteers donate spare computing time on their devices. Until now more than 460,000 volunteers have participated, making Einstein@Home one of the largest projects of this kind. The current aggregate computing power contributed by about 53,000 computers from 33,000 active volunteers is about 6.8 petaFLOPS. This would secure Einstein@Home a position among the top 15 on the TOP500 list of supercomputers.
Since 2005, Einstein@Home has analyzed data from the gravitational wave detectors within the LIGO Scientific and the Virgo Collaborations for gravitational waves from unknown, rapidly rotating neutron stars. As of March 2009, Einstein@Home has also been involved in the search for signals from radio pulsars in observational data from the Arecibo Observatory in Puerto Rico and the Parkes Observatory in Australia. Since the first discovery of a radio pulsar by Einstein@Home in August 2010, the global computer network has discovered 55 new radio pulsars. A search for gamma-ray pulsars in data of the Fermi satellite was added in August 2011. It has discovered 23 new gamma-ray pulsars as of today.
Scientific supporters are the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, Hanover) and the Center for Gravitation and Cosmology at the University of Wisconsin-Milwaukee with financial support from the National Science Foundation and the Max Planck Society.
Additional information: Einstein@Home gamma-ray pulsar survey
Enlisting the help of tens of thousands of volunteers from all around world donating idle compute cycles on their tens of thousands of computers at home, the team was able to conduct a large-scale survey with the distributed computing project Einstein@Home. In total this search required about 10,000 years of CPU core time. It would have taken more than one thousand years on a single household computer. On Einstein@Home it finished within one year – even though it only used a fraction of the project’s resources.
The scientists selected their targets from 1000 unidentified sources in the Fermi-LAT Third Source Catalog by their gamma-ray energy distribution as the most “pulsar-like” objects. For each of the 152 selected sources, they used novel, highly efficient methods to analyze the detected gamma-ray photons for hidden periodicities.
Additional information: “Blindly” detecting gamma-ray pulsars
Finding the periodic pulsations from gamma-ray pulsars is very difficult – even more so from the very fast millisecond pulsars. On average only 10 photons per day are detected from a typical pulsar by the LAT onboard the Fermi spacecraft. To detect periodicities, years of data must be analyzed, during which the pulsar might rotate tens of billions of times. For each photon one must determine exactly when during a single milliseconds rotation period it was emitted. This requires searching over long data sets with very fine resolution in order not to miss any signals. The computing power required for these “blind searches” – when little to no information about the pulsar is known beforehand – is enormous.
The new methods used in the Einstein@Home survey improve the search sensitivity without increasing the associated computational costs. They consist of an initial search stage more sensitive than in any other Einstein@Home gamma-ray search before. The initial search produces a number of interesting candidates which are then followed up on with an even more sensitive second stage, which zooms in and narrows down the uncertainty in the pulsars physical properties. The final step of the search is not performed on Einstein@Home, but on the Atlas computer cluster at the Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hannover.
Previous similar blind searches have detected 37 gamma-ray pulsars in Fermi-LAT data. All blind search discoveries in the past 5 years have been made by Einstein@Home which has found a total of 23 gamma-ray pulsars in blind searches, more than a third of all such objects discovered through blind searches.
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Einstein@Home entdeckt ersten nur im Gammalicht sichtbaren Millisekundenpulsar
Verteiltes Rechenprojekt findet zwei schnell rotierende Neutronensterne in Daten des Weltraumteleskops Fermi
Der gesamte Himmel im Blick des Gammasatelliten Fermi und die beiden nun publizierten von Einstein@Home entdeckten Gammapulsare. Die Felder unterhalb der Ausschnitte zeigen den Namen des jeweiligen Pulsars, einige seiner gemessenen Eigenschaften und die gemessenen Gammastrahlen-Pulsationen und Radiopulsationen (falls nachgewiesen). Die Flaggen in den Ausschnitten zeigen die Nationalitäten der Freiwilligen an, deren Computer die Pulsare gefunden haben.
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Das verteilte Rechenprojekt Einstein@Home aggregiert von zehntausenden Freiwilligen aus aller Welt gespendete Rechenleistung. In einer Durchmusterung des Himmels im Gammastrahlenbereich hat dieses Computernetzwerk nun zwei zuvor unbekannte schnell rotierende Neutronensterne in Daten des Weltraumteleskops Fermi entdeckt. Während alle anderen solchen Millisekundenpulsare auch mit Radioteleskopen beobachtbar sind, ist eine der beiden Entdeckungen der erste Millisekundenpulsar, der sich nur anhand seiner pulsierenden Gammastrahlung nachweisen lässt. Diese Erkenntnisse erwecken die Hoffnung, weitere neue Millisekundenpulsare zu finden, beispielsweise aus einer vorhergesagten großen Population solcher Objekte nahe dem Galaktischen Zentrum. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover und des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn haben eng zusammengearbeitet, um diese Entdeckungen zu ermöglichen.
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„Wir haben diese zwei neuen Entdeckungen in unserer groß angelegten Gammapulsar-Durchmusterung mit Einstein@Home gemacht. Dieses Kunststück war nur möglich, weil wir neuartige und effizientere Suchmethoden, verbesserte Daten des Fermi Large Area Telescope (LAT), und die gewaltige Rechenleistung von Einstein@Home nutzen konnten“, sagt Dr. Colin Clark vom Jodrell Bank Centre for Astrophysics, Erstautor der nun in Science Advances erschienenen Veröffentlichung, der Doktorand am Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik war, als er die Entdeckungen machte. „Nachdem wir die zwei Millisekundenpulsare gefunden hatten, richteten wir ein großes Radioteleskop auf sie und erwarteten, pulsierende Radiostrahlung zu finden, wie es bei allen bis dahin bekannten Millisekundenpulsaren der Fall war. Zu unserer Überraschung blieb eines unserer neu entdeckten Objekte im Radiobereich vollkommen still.“
Dies beweist, dass diese „blinden“ Gammapulsar-Suchprojekte das Potenzial haben, eine bisher unbekannte Population von radiostillen Millisekundenpulsaren aufzuspüren. Diese könnten hinter weiteren nicht identifizierten Fermi-LAT-Quellen oder dem Gammastrahlenglühen aus der Richtung des Galaktischen Zentrums stecken.
In Supernova-Explosionen geboren
Neutronsterne sind kompakte Überreste von Supernova-Explosionen und bestehen aus exotischer und extrem dichter Materie. Sie haben einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern und haben mehr Masse als unsere Sonne. Aufgrund ihrer starken Magnetfelder und schnellen Eigendrehung strahlen sie gerichtet Radiowellen und energetische Gammastrahlen ab – ähnlich einem kosmischen Leuchtturm. Wenn diese Strahlen während der Rotation des Neutronensterns in Richtung Erde zeigen, wird dieser als pulsierende Radio- oder Gammastrahlungsquelle sichtbar – als sogenannter Pulsar.
Millisekundenpulsare entstehen, wenn die Drehung eines Pulsars durch von einem Begleitstern aufgesammelte Materie beschleunigt wird. Das einströmende Material vom Partnerstern kann den Pulsar auf bis zu hunderte von Umdrehungen in einer einzelnen Sekunde beschleunigen. Nachdem diese Akkretionsphase endet, lässt sich der schnell rotierende Neutronenstern als Millisekundenpulsar beobachten.
Zwei neue Millisekundenpulsare
Die neue Veröffentlichung beschreibt die Entdeckung von zwei zuvor unbekannten Gammapulsaren, die nach ihren jeweiligen Himmelspositionen PSR J1035−6720 und PSR J1744−7619 heißen. Der erste von diesen beiden stadtgroßen Neutronensternen dreht sich jeder Sekunde schwindelerregende 348 Mal, der zweite 213 Mal. Nach der Entdeckung bestimmten die Forscher*innen deren astrophysikalischen Parameter durch eine Neuanalyse der Fermi-Daten mit hoher Genauigkeit.
Diese verbesserten Parameter kamen dann zum Einsatz, um nach der pulsierenden Radiostrahlung der beiden Quellen in Archivdaten und in neuen Beobachtungen des Parkes-Radioteleskop zu suchen. Während PSR J1035−6720 sich als ungewöhnlich schwacher Radiomillisekundenpulsar zeigte, fand man überhaupt keine Radiowellen von PSR J1744−7619. Damit ist er der erste jemals entdeckte radiostille Millisekundenpulsar.
Ein Pulsar ist ein kompakter Neutronenstern, der in seinem extrem starken Magnetfeld geladene Teilchen auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt. Dabei entsteht unter anderem Gammastrahlung (violett) weit über der Oberfläche des kompakten Sternrests, während Radiowellen (grün) kegelförmig über den Magnetpolen ausgesendet werden. Die Rotation schwenkt die Abstrahlungsgebiete über die irdische Sichtlinie und lässt den Pulsar so periodisch am Himmel aufleuchten.
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Es ist möglich, dass die leuchtturmähnlichen Radiostrahlen von PSR J1744−7619 nicht in Richtung der Erde zeigen, während die Gammastrahlen das hingegen tun. Die Wissenschaftler*innen untersuchten diese Frage, indem sie die beobachtete Gammastrahlung mit theoretischen Modellen verglichen. Sie zeigten, dass die Modelle, die die Gammastrahlung gut beschreiben, ein nachweisbares Radiosignal vorhersagen. Dessen Abwesenheit bedeutet, dass PSR J1744−7619 entweder nur sehr schwach im Radiobereich strahlt oder dass die Modelle unvollständig sind.
Nach einigen Vorhersagen lässt sich der beobachtete Überschuss von energiereicher Gammastrahlung aus dem Zentralbereich der Milchstraße mit einer verborgenen Population von tausenden Millisekundenpulsaren erklären. Derzeitige große Radioteleskope könnten nur eine Handvoll von diesen nachweisen, aber Gammapulsar-Suchprojekte könnten bessere Chancen haben, eine deutliche höhere Anzahl von diesen Quellen nachzuweisen.
Einstein@Home sucht nach Gammapulsaren in Doppelsternsystemen
„Mit der Hilfe unserer Freiwilligen haben wir 152 nicht identifizierte pulsar-ähnliche Quellen aus dem Fermi-LAT-Katalog untersucht“, sagt Prof. Dr. Bruce Allen, Direktor von Einstein@Home und Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. „Wir haben gezeigt, dass 19 von diesen nicht nur wie Pulsare aussehen, sondern tatsächlich auch Pulsare sind und in einigen Fällen sogar noch sehr ungewöhnliche Objekte. Ich persönlich würde wetten, dass viele von den verbleibenden 133 auch Pulsare sind, die sich in Doppelsternsystemen befinden, wo sie schwieriger zu finden sind. Im Moment spürt Einstein@Home diesen Binärpulsaren nach und ich hoffe, dass wir bald einige finden werden.“
„Dies ist ein wundervolles Beispiel moderner Astrophysik: Wir nutzen die Expertise aus der Gravitationswellen-Astronomie, um Gamma-Daten clever zu analysieren und damit Quellen zu entdecken, die unser Wissen aus Radiobeobachtungen ergänzen. Großartig“, ergänzt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Leiter der dortigen Arbeitsgruppe „Radioastronomische Fundamentalphysik“ und Koautor der Veröffentlichung.
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Hintergrundinformation: Wer hat die Entdeckungen gemacht?
Zehntausende Einstein@Home-Freiwillige, die dem Projekt Rechenzeit gespendet haben, haben die Entdeckungen ermöglicht. Ohne sie hätte die Durchmusterung nicht durchgeführt werden und hätten diese Entdeckungen nicht gemacht werden können. Das Team dankt insbesondere den Freiwilligen, deren Computer die zwei Pulsare entdeckten, die in der Science-Advances-Publikation vorgestellt werden. (In den Fällen, wo der Name des Freiwilligen unbekannt oder privat ist, geben wir den Einstein@Home-Benutzernamen an.)
- PSR J1035−6720: “WSyS”; Kurt Kovacs aus Seattle Washington, USA; und der ATLAS Cluster, AEI Hannover.
- PSR J1744−7619: Darrell Hoberer aus Gainesville, TX, USA; der ATLAS Cluster, AEI Hannover; Igor Yakushin aus Chicago, IL, USA und das LIGO Laboratory, USA; und Keith Pickstone aus Oldham, UK.
Hintergrundinformation: Einstein@Home im Überblick
Das Projekt für verteiltes Rechnen verbindet PC-Nutzer aus der ganzen Welt, die freiwillig brachliegende Rechenzeit ihrer Heim- und Bürocomputer und Smartphones zur Verfügung stellen. Mit mehr als 460.000 Teilnehmer*innen ist es eines der größten Projekte dieser Art. Die derzeitige Gesamtrechenleistung wird von 53.000 Computern und 33.000 aktiven Freiwilligen beigetragen und liegt bei rund 6,8 petaFLOPS. Sie würde Einstein@Home einen Platz unter den 15 schnellsten Rechner der Welt sichern.
Seit 2005 durchsucht Einstein@Home Daten der Gravitationswellendetektoren innerhalb der LIGO-Scientific- und Virgo-Kollaborationen nach Gravitationswellen von unbekannten, schnell rotierenden Neutronensternen. Ab März 2009 widmete sich Einstein@Home auch der Suche nach Signalen von Radiopulsaren in Beobachtungen des Arecibo-Observatoriums in Puerto Rico und des Parkes-Radioteleskops in Australien. Seit der ersten Entdeckung eines Radiopulsars im August 2010 mit Einstein@Home hat das weltweite Computernetzwerk insgesamt 55 Radiopulsare aus den Daten gefischt. Neu hinzugekommen ist im August 2011 eine Suche nach Gammapulsaren in den Daten des Fermi-Satelliten. Diese hat bislang 23 neue Gammapulsare entdeckt.
Wissenschaftlicher Träger sind das Center for Gravitation and Cosmology an der University of Wisconsin–Milwaukee und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, Hannover) mit finanzieller Unterstützung der National Science Foundation und der Max-Planck-Gesellschaft.
Hintergrundinformation: Die Gammapulsar-Durchmusterung von Einstein@Home
Mit der Hilfe von zehntausenden Freiwilligen aus aller Welt, die ungenutzte Rechenleistung auf ihren Computern zuhause für Einstein@Home spendeten, konnte das Team eine groß angelegte Durchmusterung durchführen. Insgesamt benötigte diese Suche eine Rechenzeit von rund 10.000 Jahren CPU-Kern-Zeit. Mit einem einzelnen Heim-PC hätte sie mehr als 1000 Jahre gedauert. Einstein@Home schaffte es binnen eines Jahres, obwohl nur ein Teil der Rechenleistung des Projekts dafür eingesetzt wurde.
Die Forschenden wählten aus 1000 unidentifizierten Qellen im Fermi-LAT Third Source Catalog ihre Ziele nach der Ähnlichkeit ihrer Energieverteilung der Gammastrahlung mit der von Pularen aus. Für jedes der 152 ausgewählten Objekte setzten sie neue hocheffiziente Methoden ein, um ein verstecktes Pulsieren in den registrierten Gammaphotonen zu entdecken.
Hintergrundinformation: Gammapulsare „blind“ entdecken
Dieses periodische Pulsieren von Gammapulsaren aufzuspüren ist sehr schwierig. Im Schnitt detektiert das Large Area Telescope (LAT) an Bord des Fermi-Satelliten nur 10 Photonen pro Tag von einem typischen Pulsar. Um das Pulsieren nachzuweisen, müssen Daten von vielen Jahren analysiert werden, während der sich der Pulsar mehrere zehn Milliarden Mal um die eigene Achse drehen kann. Für jedes einzelne Photon muss genau bestimmt werden, während welcher Phase der weniger als einer Sekunde dauernden Rotation es abgestrahlt wurde. So müssen die Astronomen Jahre überspannende Datensätze mit sehr feiner Auflösung durchkämmen, damit Ihnen kein Signal entgeht. Die Rechenleistung für diese „Blindsuchen“ – bei denen wenig bis keine Information über die Pulsare vorab bekannt ist – ist enorm.
Die neuen Methoden verbessern die Suchempfindlichkeit ohne die Rechenkosten dafür zu erhöhen. Sie bestehen aus einem Anfangsschritt, der empfindlicher als in allen vorigen Einstein@Home-Suchen nach Gammapulsaren ist. Dieser erste Schritt produziert eine große Zahl vielversprechender Kandidatensignale, die dann mit einem noch empfindlicheren zweiten Folgeschritt untersucht werden. Dieser zoomt auf den Kandidaten zu und verringert die Unsicherheit in den astrophysikalischen Parametern des Pulsars. Der letzte Untersuchungsschritt wird nicht auf Einstein@Home, sondern auf dem Großrechner Atlas am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover durchgeführt.
Vorherige ähnliche Blindsuchen spürten 37 Gammapulsare in Fermi-LAT-Daten auf. Einstein@Home macht sämtliche Entdeckungen mit Blindsuchen in den vergangenen fünf Jahren. Das Projekt hat so insgesamt 23 Gammapulsare entdeckt – mehr als ein Drittel aller in solchen Blindsuchen gefunden Objekte.
Quelle: MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT, MÜNCHEN