Una pulsar a raggi gamma è una stella di neutroni compatta che accelera le particelle cariche a velocità relativistiche nel suo campo magnetico estremamente forte. Questo processo produce radiazioni gamma (viola) molto al di sopra della superficie dei resti compatti della stella, Per esempio, mentre le onde radio (verdi) vengono emesse sui poli magnetici sotto forma di cono. La rotazione sposta le regioni di emissione lungo la linea di vista terrestre, facendo accendere periodicamente la pulsar nel cielo. Credito:© NASA/Fermi/Cruz de Wilde
Un'analisi che avrebbe richiesto più di mille anni su un singolo computer ha trovato in un anno più di una dozzina di nuove stelle di neutroni in rapida rotazione nei dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi. Con la potenza di calcolo donata da volontari di tutto il mondo un team internazionale guidato da ricercatori del Max Planck Institute for Gravitational Physics di Hannover, Germania, cercato periodici rivelatori in 118 fonti Fermi di natura sconosciuta. In 13 hanno scoperto una stella di neutroni rotante nel cuore della sorgente. Mentre questi sono tutti – astronomicamente parlando – giovani con età comprese tra decine e centinaia di migliaia di anni, due ruotano sorprendentemente lentamente, più lentamente di qualsiasi altra pulsar a raggi gamma conosciuta. Un'altra scoperta ha subito un "glitch", un improvviso cambiamento di origine sconosciuta nella sua rotazione altrimenti regolare.
"Abbiamo scoperto così tante nuove pulsar per tre ragioni principali:l'enorme potenza di calcolo fornita da Einstein@Home; la nostra invenzione di metodi di ricerca nuovi e più efficienti; e l'uso di dati Fermi-LAT recentemente migliorati. Questi insieme hanno fornito una sensibilità senza precedenti per la nostra ampia indagine su più di 100 fonti del catalogo Fermi, "dice il dottor Colin Clark, autore principale del documento ora pubblicato su The Giornale Astrofisico .
Le stelle di neutroni sono resti compatti di esplosioni di supernova e sono costituite da elementi esotici, materia estremamente densa. Misurano circa 20 chilometri di diametro e pesano fino a mezzo milione di Terre. A causa dei loro forti campi magnetici e della rapida rotazione, emettono onde radio e raggi gamma energetici simili a un faro cosmico. Se questi raggi puntano verso la Terra una o due volte per rotazione, la stella di neutroni diventa visibile come una radio pulsante o una sorgente di raggi gamma, una cosiddetta pulsar.
Rilevamento "alla cieca" di pulsar a raggi gamma
Trovare queste pulsazioni periodiche dalle pulsar a raggi gamma è molto difficile. In media solo 10 fotoni al giorno vengono rilevati da una tipica pulsar dal Large Area Telescope (LAT) a bordo della navicella spaziale Fermi. Per rilevare le periodicità, anni di dati devono essere analizzati, durante il quale la pulsar potrebbe ruotare miliardi di volte. Per ogni fotone si deve determinare esattamente quando durante una singola rotazione di una frazione di secondo è stato emesso. Ciò richiede la ricerca di set di dati lunghi anni con una risoluzione molto fine per non perdere un segnale. La potenza di calcolo richiesta per queste "ricerche alla cieca" - quando si conoscono in anticipo poche o nessuna informazione sulla pulsar - è enorme.
Precedenti ricerche cieche simili hanno rilevato 37 pulsar a raggi gamma nei dati Fermi-LAT. Tutte le scoperte della ricerca alla cieca negli ultimi 4 anni sono state fatte da Einstein@Home che ha trovato un totale di 21 pulsar di raggi gamma nelle ricerche alla cieca, più di un terzo di tutti questi oggetti scoperti attraverso ricerche alla cieca.
L'intero cielo visto dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi e le 13 pulsar scoperte da Einstein@Home, ora pubblicate. Il campo sotto ogni riquadro mostra il nome della pulsar e la sua frequenza di rotazione. Le bandiere nei riquadri mostrano le nazionalità dei volontari i cui computer hanno trovato le pulsar. Credito:Knispel/Clark/Max Planck Institute for Gravitational Physics/NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration
Risorsa informatica Einstein@Home
Richiedendo l'aiuto di decine di migliaia di volontari da tutto il mondo che donano cicli di calcolo inattivi sulle loro decine di migliaia di computer a casa, il team è stato in grado di condurre un'indagine su larga scala con il progetto di calcolo distribuito Einstein@Home. In totale questa ricerca ha richiesto circa 10, 000 anni di core time della CPU. Ci sarebbero voluti più di mille anni su un singolo computer domestico. Su Einstein@Home è finito in un anno, anche se ha utilizzato solo una parte delle risorse del progetto.
Gli scienziati hanno selezionato i loro bersagli da 1000 fonti non identificate nel Fermi-LAT Third Source Catalog in base alla loro distribuzione di energia dei raggi gamma come gli oggetti più "simili a pulsar". Per ciascuna delle 118 fonti selezionate, hanno usato il romanzo, highly efficient methods to analyze the detected gamma-ray photons for hidden periodicities.
One dozen and one new neutron star
"So far we've identified 17 new pulsars among the 118 gamma-ray sources we searched with Einstein@Home. The latest publication in The Giornale Astrofisico presents 13 of these discoveries, " says Clark. "We knew that there had to be several unidentified pulsars in the Fermi data, but it's always very exciting to actually detect one of them and at the same time it's very satisfying to understand what its properties are." About half of the discoveries would have been missed in previous Einstein@Home surveys, but the novel improved methods made the difference.
Most of the discoveries were what the scientists expected:gamma-ray pulsars that are relatively young and were born in supernovae some tens to hundreds of thousands of years ago. Two of them however spin slower than any other gamma-ray pulsar known. Slow-spinning young pulsars on average emit less gamma-rays than faster-spinning ones. Finding these fainter objects is therefore useful to explore the entire gamma-ray pulsar population. Another newly discovered pulsar experienced a strong "glitch", a sudden speedup of unknown origin in its otherwise regular rotation. Glitches are observed in other young pulsars and might be related to re-arrangements of the neutron star interior but are not well understood.
Searching for gamma-ray pulsars in binary systems
"Einstein@Home searched through 118 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. "Colin has shown that 17 of these are indeed pulsars, and I would bet that many of the remaining 101 are also pulsars, but in binary systems, where we lack sensitivity. Nel futuro, using improved methods, Einstein@Home is going to chase after those as well, and I am optimistic that we will find at least some of them."
