Um pulsar de raios gama é uma estrela de nêutrons compacta que acelera partículas carregadas a velocidades relativísticas em seu campo magnético extremamente forte. Este processo produz radiação gama (violeta) muito acima da superfície dos restos compactos da estrela, por exemplo, enquanto as ondas de rádio (verdes) são emitidas sobre os pólos magnéticos na forma de um cone. A rotação move as regiões de emissão através da linha de visão terrestre, fazendo o pulsar acender periodicamente no céu. Crédito:© NASA / Fermi / Cruz de Wilde
Uma análise que levaria mais de mil anos em um único computador encontrou em um ano mais de uma dúzia de novas estrelas de nêutrons em rotação rápida em dados do telescópio espacial de raios gama Fermi. Com a potência computacional doada por voluntários de todo o mundo, uma equipe internacional liderada por pesquisadores do Instituto Max Planck de Física Gravitacional em Hannover, Alemanha, procurou periodicidades reveladoras em 118 fontes Fermi de natureza desconhecida. Em 13, eles descobriram uma estrela de nêutrons em rotação no centro da fonte. Embora todos sejam - astronomicamente falando - jovens com idades entre dezenas e centenas de milhares de anos, dois estão girando surpreendentemente lento - mais lento do que qualquer outro pulsar de raios gama conhecido. Outra descoberta experimentou uma "falha", uma mudança repentina de origem desconhecida em sua rotação regular.
"Descobrimos tantos novos pulsares por três motivos principais:o enorme poder de computação fornecido pelo Einstein @ Home; nossa invenção de métodos de pesquisa novos e mais eficientes; e o uso de dados Fermi-LAT recém-aprimorados. Esses, juntos, forneceram uma sensibilidade sem precedentes para nossa grande pesquisa de mais de 100 fontes de catálogo Fermi, "diz o Dr. Colin Clark, autor principal do artigo agora publicado no The Astrophysical Journal .
Estrelas de nêutrons são remanescentes compactos de explosões de supernovas e consistem em exóticas, matéria extremamente densa. Eles medem cerca de 20 quilômetros de diâmetro e pesam até meio milhão de Terras. Por causa de seus fortes campos magnéticos e rotação rápida, eles emitem ondas de rádio e raios gama energéticos semelhantes a um farol cósmico. Se esses feixes apontam para a Terra uma ou duas vezes por rotação, a estrela de nêutrons torna-se visível como uma fonte pulsante de rádio ou raios gama - o chamado pulsar.
Detecção "cegamente" de pulsares de raios gama
Encontrar essas pulsações periódicas dos pulsares de raios gama é muito difícil. Em média, apenas 10 fótons por dia são detectados de um pulsar típico pelo Large Area Telescope (LAT) a bordo da espaçonave Fermi. Para detectar periodicidades, anos de dados devem ser analisados, durante o qual o pulsar pode girar bilhões de vezes. Para cada fóton, deve-se determinar exatamente quando, durante uma única rotação de fração de segundo, ele foi emitido. Isso requer a pesquisa de conjuntos de dados de longos anos com resolução muito fina para não perder um sinal. A capacidade de computação necessária para essas "buscas cegas" - quando pouca ou nenhuma informação sobre o pulsar é conhecida de antemão - é enorme.
Pesquisas anteriores semelhantes às cegas detectaram 37 pulsares de raios gama nos dados do Fermi-LAT. Todas as descobertas da pesquisa cega nos últimos 4 anos foram feitas pelo Einstein @ Home, que encontrou um total de 21 pulsares de raios gama em pesquisas cegas, mais de um terço de todos esses objetos descobertos por meio de buscas cegas.
O céu inteiro visto pelo Telescópio Espacial Fermi de raios gama e os 13 pulsares descobertos por Einstein @ Home que agora foram publicados. O campo abaixo de cada inserção mostra o nome do pulsar e sua frequência de rotação. As bandeiras nas inserções mostram as nacionalidades dos voluntários cujos computadores encontraram os pulsares. Crédito:Knispel / Clark / Instituto Max Planck de Física Gravitacional / NASA / DOE / Colaboração Fermi LAT
Recurso de informática Einstein @ Home
Contando com a ajuda de dezenas de milhares de voluntários de todo o mundo doando ciclos de computação ociosos em suas dezenas de milhares de computadores em casa, a equipe conseguiu realizar uma pesquisa em larga escala com o projeto de computação distribuída Einstein @ Home. No total, essa pesquisa exigiu cerca de 10, 000 anos de tempo de núcleo da CPU. Levaria mais de mil anos em um único computador doméstico. No Einstein @ Home terminou em um ano - embora tenha utilizado apenas parte dos recursos do projeto.
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 118 selected sources, they used novel, 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 Astrophysical Journal 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. In the future, 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."
