ФЕРМИ ГАММА-ЛУЧШИЙ ПУЛЬСАР ПОИСК
Что такое нейтронная звезда?
Сечение нейтронной звезды. Плотности выражаются в ρ0 плотности ядерной материи насыщения, где нейтроны начинают касаться друг друга.
Когда массивная звезда использовала все свое ядерное топливо для производства энергии, она взрывается в сверхновой. В этом процессе внешние слои бывшей звезды разрушаются, в то время как ядро разрушается под действием собственного веса. Ядро звезды сжимается настолько, что протоны и электроны в нем объединяются, превращаясь в нейтроны (и нейтрино). Полученный объект называется нейтронной звездой. Если нейтронная звезда весит более двух или трех солнечных масс, она коллапсирует дальше и образует черную дыру.
Нейтронные звезды - экзотические объекты. Они состоят из вещества, гораздо плотнее упакованного, чем обычно, что дает всей звезде плотность, сравнимую с атомным ядром. Диаметр нашего Солнца уменьшился бы до 30 километров, если бы он был таким плотным. Нейтронные звезды также вращаются вокруг себя до сотни раз за одну секунду.
Что такое пульсар?
Нейтронные звезды имеют чрезвычайно сильные магнитные поля. Заряженные частицы, ускоренные вдоль силовых линий, испускают электромагнитное излучение на разных длинах волн. Это излучение связано в конус вдоль оси магнитного поля. Когда нейтронная звезда вращается вокруг своей оси вращения, конусы излучения проникают через небо, как луч маяка, потому что ось вращения обычно наклонена относительно оси магнитного поля. Нейтронная звезда становится видимой как пульсар, если лучи проносятся над Землей. Пульсары вращаются от одного раза в несколько секунд до одного раза за миллисекунды. Эти периоды вращения могут быть очень стабильными с точностью, которая помещает их в число самых точных часов во Вселенной.
Первый пульсар был обнаружен в 1967 году Джоселин Белл Бернелл на радиоволнах. В настоящее время мы знаем более 2500 таких радиопульсаров. Но пульсары были обнаружены и на других длинах волн. Мы знаем много рентгеновских и гамма-пульсаров, поскольку было замечено несколько оптических пульсаций. Ученые наблюдали много пульсаров на нескольких длинах волн, но некоторые пульсары остаются необнаруженными в частях электромагнитного спектра. В некоторых случаях ученые уже могут объяснить, почему определенный пульсар излучает в одной части спектра, а не в другой. Однако еще не все механизмы, которые регулируют излучение в различных частотных диапазонах, полностью понятны.
Почему некоторые пульсары видны в радиоволнах, а другие в гамма-лучах?
Пульсар гамма-излучения - это компактная нейтронная звезда, которая ускоряет заряженные частицы до релятивистских скоростей в своем чрезвычайно сильном магнитном поле. Этот процесс производит гамма-излучение (фиолетовое) намного выше поверхности компактных остатков звезды, например, в то время как радиоволны (зеленого цвета) излучаются над магнитными полюсами в форме конуса. Вращение перемещает области эмиссии через наземную линию видимости, заставляя пульсар периодически светиться в небе.
Впечатление художника о пульсаре, излучающем радиоволны (зеленые) и гамма-лучи (пурпурный). кредит: НАСА / Ферми / Крус де Уайлд
Правдоподобным объяснением того, почему некоторые пульсары видны как гамма-пульсары, а не как радио пульсары, может быть то, что радиоволны с более низкой энергией связаны в более узком конусе на магнитных полюсах, чем высокоэнергетическое гамма-излучение. Поскольку излучение в основном испускается вдоль поверхности конуса, а волны разной длины излучаются в конусах с разным распространением, радиоволны и гамма-волны покидают нейтронную звезду в разных направлениях. Таким образом, пульсар может стать видимым как гамма-излучение или радио пульсар для удаленного наблюдателя (в зависимости от того, какой конус проходит через положение наблюдателей).
Другая модель имеет гамма-излучение, возникающее не в полярных областях магнитного поля, а в экваториальной плоскости, где линии поля нарушаются. Тогда, конечно, пульсар может просто не излучаться в гамма-лучах или радио по сути. Поэтому очень важно наблюдать как можно больше пульсаров на всех длинах волн, чтобы лучше понять эти механизмы.
Для некоторых пульсаров в двоичных файлах возможно другое объяснение. Если энергетическое излучение пульсара попадает на спутник, материал поверхности спутника сдувается. Материал затем плавает в окружении двойной системы. Радиоволны легко блокируются этим, в то время как гамма-лучи обычно не затрагиваются.
Какие данные используются Einstein@Home?
На этой компьютерной графике показана структура спутника НАСА Fermi. Центральная приборная платформа в форме коробки лежит между солнечными батареями. Большой телескоп, данные которого оценивали астрономы, скрыт под черной крышкой, видимой сверху.
Наблюдения за небом в гамма-лучах с очень высоким временным разрешением проводятся с помощью телескопа большой площади (LAT) на борту космического телескопа гамма-излучения Fermi НАСА. Спутник вращается вокруг Земли каждые 95 минут на низкой орбите ок. 560 километров над землей, при этом LAT всегда почти идеально обращен от Земли.
LAT может обнаружить отдельные фотоны гамма-излучения, их энергию (в диапазоне от 20 МэВ до 300 ГэВ), направление, из которого они пришли (до менее чем градуса) и когда они прибыли (до нескольких микросекунд). В любой момент времени LAT «видит» около пятой части всего неба. Орбитальное движение спутника и Земли, а также раскачивающее движение спутника гарантируют, что LAT покрывает все небо после двух орбит. Все данные становятся общедоступными в течение нескольких часов для всех. Карты неба и исходные каталоги создаются и регулярно обновляются с помощью данных LAT, полученных в течение более длительного времени (года).
Ученые Einstein@Home выбрали самые «похожие на пульсар» объекты на основе их распределения энергии гамма-лучей в качестве целей из более чем 1000 неопознанных источников в каталоге источников Fermi-LAT. Для 118 выбранных источников они использовали новые высокоэффективные методы анализа обнаруженных фотонов гамма-излучения на наличие скрытых периодичностей. Это поиск гамма-пульсаров Ферми (сокращенно: FGRP).
К настоящему времени исследователи из Einstein@Home также отобрали три источника, которые выглядят как «пульсары» и где другие наблюдения указывают на то, что они находятся в двойных системах. В сочетании с оптическими наблюдениями этих систем (см. «Как Эйнштейн@Home ищет гамма-пульсары в двойных системах?» Ниже), Эйнштейн@Home ищет гамма-пульсары в двойных системах. Всякий раз, когда новые оптические наблюдения указывают на двойную систему для источника гамма-излучения, подобного пульсару, он выбирается, и съемка расширяется. Это гамма-пульсары Ферми в бинарных файлах (сокращение: FGRPB).
Почему так сложно найти гамма-пульсары?
Все небо гамма-лучей, как видно из телескопа большой площади Ферми. Цвета показывают интенсивность гамма-излучения в полосе обнаружения Ферми.
Найти периодические пульсации от гамма-пульсаров очень сложно, особенно от очень быстрых миллисекундных пульсаров. В среднем только 10 фотонов в день регистрируются из типичного пульсара с помощью LAT на борту космического корабля Fermi. Для выявления периодичности необходимо проанализировать данные за годы, в течение которых пульсар может вращаться десятки миллиардов раз. Для каждого фотона необходимо точно определить, когда в течение одного периода вращения в миллисекундах он испускался. Это требует поиска по длинным наборам данных с очень хорошим разрешением, чтобы не пропустить ни одного сигнала. Вычислительная мощность, необходимая для этих «слепых поисков», когда информация о пульсаре практически неизвестна, огромна.
Что нового в поиске гамма-пульсаров в Einstein@Home?
Новые методы, использованные в обзоре Einstein@Home, улучшают чувствительность поиска, не увеличивая связанные с этим вычислительные затраты. Они состоят из начальной стадии поиска, более чувствительной, чем в предыдущих поисках гамма-излучения Einstein@Home. Эта начальная стадия поиска производит много перспективных кандидатов. Затем они сопровождаются еще более чувствительной второй стадией, которая увеличивает масштаб и сужает неопределенность в физических свойствах пульсара. Последний этап поиска выполняется не на Einstein@Home, а на компьютерном кластере Atlas в Институте гравитационной физики им. Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна) в Ганновере.
В последние годы все открытия в области слепого поиска гамма-излучения были сделаны Einstein@Home. Всего Einstein@Home уже обнаружил 23 новых гамма-пульсара, что составляет более трети всех таких объектов, обнаруженных в результате слепых поисков.
Почему так трудно найти гамма-пульсары в двойных системах?
Чтобы однозначно идентифицировать гамма-пульсар, его свойства должны быть известны с очень высокой степенью точности. Только тогда астрономы могут определить фазу вращения, при которой каждый из гамма-квантов испускался пульсаром. И только тогда гамма-пульсация может быть обнаружена, без сомнения. Ни одно из соответствующих свойств пульсара, таких как его положение в небе, его частота вращения и то, как это изменяется, а также параметры орбиты двойной системы, априори не известны.
Исследователи должны проверить множество комбинаций этих свойств в слепом поиске. Количество возможных комбинаций особенно велико, поскольку бинарные пульсары часто вращаются с очень высокими частотами. Если бы ученые сразу же искали данные Ферми за несколько лет, число возможных комбинаций было бы настолько велико, что необходимые вычислительные усилия сделали бы практическую реализацию невозможной.
Как Einstein@Home ищет гамма-пульсары в двойных системах?
Новый метод анализа разбивает полный набор данных на более короткие перекрывающиеся участки. Каждый из разделов теперь можно искать отдельно; индивидуальные результаты затем объединяются оптимальным образом. В целом, этот метод поиска почти так же чувствителен, как и поиск по всем данным, полученным с 2009 года, за один прогон. Если в определенной комбинации параметров обнаружен многообещающий сигнал, полный набор данных можно очень быстро проверить с помощью этой комбинации.
Ключ заключается в том, чтобы распределять комбинации параметров настолько разумно, насколько это возможно, чтобы любой сигнал был найден с максимально возможной вероятностью, и чтобы избежать ненужных вычислений. В новом методе анализа используется алгоритм, который адаптивно улучшает комбинации параметров, также называемые точками сетки, чтобы покрыть общее пространство параметров при минимальных затратах на вычисления.
Кроме того, наблюдения с оптическими телескопами используются для максимально возможного ограничения диапазона неизвестных параметров. Например, глядя на изменения яркости у разных цветов предполагаемого спутника гамма-излучения пульсара, можно узнать о свойствах орбиты пульсара и получить хорошие оценки того, где пульсар находится на своей орбите в какой момент времени. насколько велика орбита и каков ее угол к линии обзора. Эти оценки помогают значительно ускорить поиск Einstein@Home.
Что происходит, когда ваш компьютер обнаруживает пульсар?
Если анализ определенного набора рабочих узлов выглядит многообещающе и показывает явные или слабые признаки неизвестного гамма-лучевого пульсара, дальнейший последующий анализ всех существующих данных Ферми проводится для подтверждения существования пульсара. Способы отслеживания более вычислительно интенсивны, чем методы поиска, но также более чувствительны и, таким образом, способны определить, является ли многообещающий кандидат пульсаром.
При обнаружении пульсаций строится математическая модель (называемая «временным решением»). Он точно предсказывает время прибытия каждого отдельного импульса в течение многих лет наблюдений Fermi LAT. Модель синхронизации может быть использована для извлечения астрофизической информации о пульсаре (и для бинарного пульсара также о его спутнике).
Горстка пользователей, на чьих компьютерах был проведен первоначальный анализ данных и которые нашли кандидата с самой высокой значимостью, будет зачислена в раздел признаний в статье о научных открытиях.
Хотите принять участие в распределенных вычислениях, тогда, Вам сюда:
https://boinc.ru/
