Pesquisadores usando o MeerKAT na África do Sul descobriram nove pulsares de milissegundos, a maioria deles em sistemas binários raros e às vezes incomuns, como o primeiro resultado de uma pesquisa direcionada. Uma equipe internacional com contribuições significativas da AEI (Hannover) e MPIfR (Bonn) selecionou 79 fontes semelhantes a pulsares não identificadas a partir de observações do Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA e as observou em frequências de rádio com o MeerKAT.
O uso desse método testado e comprovado com um conjunto de telescópios de última geração tem vantagens significativas em relação aos levantamentos anteriores. A equipe descobriu nove estrelas de nêutrons em rápida rotação, a maioria delas com propriedades incomuns. Sua pesquisa é publicada no Monthly Notices da Royal Astronomical Society.
“Nossa pesquisa TRAPUM usou o MeerKAT, um radiotelescópio relativamente novo e extremamente sensível, juntamente com um software de análise dedicado para observar uma seleção de fontes semelhantes a pulsares muito promissoras”, disse Colin Clark, líder do grupo no Instituto Max Planck de Física Gravitacional (Albert Einstein Institute; AEI) em Hannover e principal autor do estudo. “A recompensa por nossos esforços é algo de que podemos nos orgulhar: descobrimos nove novos pulsares de milissegundos, alguns dos quais são bastante incomuns”.
A equipe usou uma abordagem testada e comprovada para descobrir novos pulsares de milissegundos. O catálogo Fermi Large Area Telescope compila fontes de raios gama de oito anos de observações com o Fermi Gamma-ray Space Telescope da NASA. Este catálogo contém informações sobre as posições das fontes no céu, energias de seus raios gama e variações de seu brilho de raios gama ao longo do tempo.
“Usamos métodos de machine learning para determinar a probabilidade de pulsar para todas as fontes do catálogo Fermi não associadas a objetos celestes conhecidos”, explica Clark. “Depois de identificarmos as fontes mais semelhantes a pulsares no catálogo Fermi, reduzimos nossa lista de alvos às fontes que provavelmente seriam detectáveis por nossa pesquisa. Observamos 79 fontes com o MeerKAT.”
O MeerKAT fornece sensibilidade sem precedentes no céu do sul
O MeerKAT é um conjunto de 64 antenas parabólicas, cada uma com um diâmetro efetivo de 13,5 metros no Karoo, África do Sul. O MeerKAT fornece sensibilidade sem precedentes para fontes no hemisfério celestial sul, com uma capacidade de detectar fontes que são cerca de cinco vezes mais fracas do que qualquer outra que possa ser encontrada com o próximo telescópio mais poderoso do hemisfério sul.
O TRansients and Pulsars using MeerKAT (TRAPUM) Large Survey Project usa essa sensibilidade para procurar novos pulsares nas partes do céu onde eles são mais prováveis de serem encontrados: aglomerados globulares, galáxias próximas, remanescentes de supernovas e – neste caso – não identificados fontes de raios gama. Isso exigiu o desenvolvimento de hardware de computação dedicado que combina os dados das antenas do MeerKAT em um grande radiotelescópio virtual que pode observar simultaneamente quase 500 posições do céu próximas.
Este levantamento TRAPUM das fontes Fermi explorou a sensibilidade extra fornecida pelo MeerKAT para reduzir os tempos de observação para apenas 10 minutos, muito mais curto do que as observações de uma hora anteriormente necessárias para encontrar pulsares nessas fontes.
Observações curtas têm muitas vantagens: Mais fontes podem ser visadas em um tempo de observação limitado. As fontes podem ser observadas repetidamente, o que aumenta a chance de observar um novo pulsar de rádio porque podem não ser detectáveis durante a primeira passagem do levantamento. O levantamento do pulsar TRAPUM fez duas observações de cada fonte. Analisar observações curtas é computacionalmente menos exigente do que analisar observações mais longas. Finalmente, o movimento orbital em sistemas binários pode tornar os pulsares de rádio mais difíceis de detectar. Durante os curtos tempos de observação, o movimento do pulsar é quase constante e, portanto, o efeito prejudicial da mudança do movimento orbital é mitigado.
Além da sensibilidade absoluta, a matriz MeerKAT oferece uma vantagem extra sobre outros telescópios de prato único. Sua pegada de 8 quilômetros permite identificar a localização de novas fontes com precisão muito alta, permitindo estudos de acompanhamento rápido em outros comprimentos de onda.
Nove novos pulsares de milissegundos
A busca por pulsares em uma grande quantidade de dados obtidos durante as observações do TRAPUM requer muito poder de computação e um retorno rápido para liberar espaço de armazenamento para observações posteriores.
“Executamos pipelines de análise de dados construídos especificamente em 120 unidades de processamento gráfico (GPUs) em um cluster de computação dedicado para filtrar nossas observações de pesquisa MeerKAT. Encontramos rapidamente nove candidatos a pulsar de milissegundos e confirmamos todos eles por observações adicionais do MeerKAT”, diz Ewan Barr, líder do grupo no Instituto Max Planck de Radioastronomia e Cientista do Projeto TRAPUM.
“É ótimo podermos também usar as observações de confirmação para refinar as posições do céu com a capacidade do MeerKAT de amostrar o céu em uma grade densa. Isso é inestimável para estudos de acompanhamento em diferentes comprimentos de onda.”
Um binário pulsar-anã branca compacto
Uma das descobertas, chamada PSR J1526-2744, foi estudada de perto posteriormente. Após a detecção deste pulsar de rádio em um sistema binário, os pesquisadores também captaram as pulsações de raios gama da estrela de nêutrons. Usando todos os dados disponíveis do Fermi, eles puderam estudar com precisão o movimento orbital e determinar as propriedades do sistema binário. Muito provavelmente, a estrela de nêutrons orbita o centro de massa comum com uma anã branca leve em pouco menos de cinco horas. Isso o tornaria o sistema binário pulsar-anã-branca com o segundo período orbital mais curto.
A equipe também procurou por ondas gravitacionais contínuas de PSR J1526-2744. Se a estrela de nêutrons fosse deformada, emitiria ondas gravitacionais com o dobro de sua frequência rotacional. Os pesquisadores usaram todos os dados do Advanced LIGO publicamente disponíveis das corridas O1, O2 e O3. Como eles sabiam exatamente o movimento do pulsar no sistema binário a partir das observações de raios gama, a equipe de pesquisa alcançou a máxima sensibilidade de busca possível para ondas gravitacionais.
Ondas gravitacionais
Embora a equipe não tenha observado ondas gravitacionais contínuas de PSR J1526-2744, eles puderam medir o quanto a estrela de nêutrons se desvia da axissimetria perfeita. “Agora sabemos que PSR J1526-2744 é realmente muito simétrico. Mostramos que o equador da estrela de nêutrons não pode se desviar de um círculo perfeito muito mais do que a largura de um fio de cabelo humano”, diz Anjana Ashok, Ph.D. estudante no Grupo de Pesquisa Max Planck independente permanente “Ondas Gravitacionais Contínuas” na AEI Hannover que liderou a busca de ondas gravitacionais.
Outros dois pulsares, chamados PSR J1036-4353 e PSR J1803-6707, são sistemas típicos de pulsar “redback” que consistem em estrelas de nêutrons com estrelas companheiras de pelo menos um quarto da massa do nosso Sol. Esses pulsares evaporam e destroem seus companheiros com o tempo, daí a referência ao seu homônimo de aranha, as aranhas vermelhas australianas cujas fêmeas consomem os machos após o acasalamento.
Depois de identificar rápida e precisamente as posições dos pulsares com as capacidades únicas do MeerKAT, os astrónomos identificaram as suas companheiras no catálogo estelar da missão astrométrica Gaia e estudaram-nas com observações óticas dedicadas usando a câmara ULTRACAM do Telescópio de Nova Tecnologia do ESO. Além disso, eles encontraram raios-X de PSR J1803-6707 em dados do primeiro levantamento eROSITA de todo o céu. Os raios-X provavelmente derivam do vento pulsar energético batendo no material evaporado do companheiro e são característicos dos sistemas redback.
Pulsares à espreita no catálogo
É difícil estimar com segurança o número de pulsares ainda não detectados à espreita em fontes de Fermi semelhantes a pulsares não associadas. No entanto, os astrônomos estão certos de que observações futuras podem descobrir vários outros pulsares de milissegundos. Na lista de alvos, existem vários candidatos que são provavelmente pulsares. No entanto, várias pesquisas até agora não encontraram pulsações de ondas de rádio ou raios gama. Novos telescópios, métodos de análise e repetidas tentativas de observação podem um dia revelar sua natureza pulsar. Com mais tempo de observação do Fermi, o catálogo de fontes subjacentes crescerá e outras fontes semelhantes a pulsares aparecerão e se tornarão alvos em potencial.
“Nossos resultados, que são apenas os primeiros da pesquisa TRAPUM de fontes Fermi, já mostram o grande potencial do MeerKAT. Com o MeerKAT e o software dedicado, somos capazes não apenas de descobrir, mas também de localizar rápida e precisamente novos pulsares de milissegundos,” diz Clark. “As observações do MeerKAT ajudam muito no acompanhamento de vários comprimentos de onda, pesquisas de catálogo e observações futuras ou, em outras palavras, na criação de presentes de pulsares de milissegundos que continuam dando.”
Publicado em 31/01/2023 21h36
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