Hľadanie pulzarov prostredníctvom projektu Einstein@Home a rádioteleskopu v Arecibo - prečo a ako?

Nie je žiadnou novinkou, že projekt Einstein@home hľadá prostredníctvom ozrutných intereferometrov gravitačné vlny, ktorých konečný experimentálny objav by bol dôležitým medzníkom vo vývoji fyziky a našej predstavy o vesmíre a jeho štruktúre. Možno neuniklo vašej pozornosti, že v prvej polovici roku 2009 začal projekt distribuovať na naše počítače popri štandardných "gravitačných" pracovných aplikáciách (Hierarchical all-sky GW search) aj nové - nesúce v názve reťazec "Arecibo binary pulsar search". Pre tých z vás, ktorí radi vedia čo presne ich počítače spracovávajú, a ako sa nakladá z výsledkami vašich strojov, sme pripravili preklad pôvodných anglických stránok popisujúcich tento nový subprojekt. Dozviete sa v ňom stručne a výstižne všetky potrebné základné informácie, vrátane významu a spojitosti tohto podprojektu pre samotné hľadanie gravitačných vĺn.

Náš tím sa do projektu zapojil veľmi úspešne - máme na konte už dva objavy pulzarov! Konkrétne Gabberattack 3. mája 2009 znovuobjavil pulzar PSJ-1906+0912 a  náš ďalší člen Helix znovuobjavil 29. júla 2009 pulzar PSJ1921+0812. Zoznam všetkých takto objavených či znovuobjavených pulzarov vrátane bližších údajov môžte nájsť na tejto stránke. Úsilie tak začína prinášať prvé konkrétne ovocie v podobe odhalenia týchto vzrušujúco extrémnych objektov skrývajúcich sa v hlbinách vesmíru, a dokazuje úspešnosť použitej metódy. Ak vás teda zaujíma vesmír a jeho tajomstvá, neváhajte sa zapojiť - stači sa prihlásiť do projektu Einstein@home (komplexný popis projektu je k dispozícii v angličtine, alebo aj češtine), a pracovné jednotky pre hľadanie pulzarov vám budú distribuované automaticky (v prípade potreby sa v nastaveniach projektu dá zasielanie týchto jednotiek zablokovať).

A teraz už prejdime k popisu samotného podprojektu... 
 

1. Čo je to rádiopulzar?

2. Prečo pátrame po rádiopulzaroch v binárnych systémoch?

3. Aký je princíp našej metódy?

4. Čo naša vyhľadávacia metóda prináša nového?

5. Aký typ údajov je pri vyhľadávaní použitý?

6. Ako tento projekt pomáha v pátraní po gravitačných vlnách?

7. Čo sa môžeme o rádiopulzaroch dozvedieť a načo to bude dobré?

8. Čo sa stane, ak váš počítač objaví niečo zaujímavé?

Rádioteleskop v Arecibo je situovaný na ostrove Portoriko v Karibskom mori. S priemerom 305 m sa jedná o najväčší rádioteleskop sveta.
Kredit: NAIC - Arecibo Observatory, zariadenie NSF (National Science Foundation)

1.) Čo je to rádiopulzar?

Keď masívna hviezda spotrebuje všetko svoje využiteľné jadrové palivo, skolabuje vplyvom svojej vlastnej gravitácie. Jadro takejto hviezdy začne byť vystavené extrémnemu tlaku, vplyvom ktorého nastane zlučovanie elektrónov a protónov na neutróny. Výsledný objekt sa nazýva neutrónová hviezda. Ak je hmotnosť neutrónovej hviezdy vyššia než dve či tri hmotnosti Slnka, pokračuje v kolapse a vzniká čierna diera.

Rádiopulzary sú neutrónové hviezdy s nepredstaviteľne silným magnetickým poľom. Rotujú a urýchľujú elektróny v ich blízkosti na rýchlosti blízke rýchlosti svetla. Tieto elektróny vyžarujú žiarenie koncentrované do smeru úzkeho kužeľa. Keď tento kužeľ pri svojej rotácii pretína Zem, pozorujeme krátke pravidelné zjasnenia rádiového signálu, presne ako v prípade majáku. Niektoré pulzary vyžarujú aj viditeľné svetlo, roentgenové alebo gama žiarenie.

V súčasnosti sú pulzary najčastejším spôsobom, akým môžeme pozorovať neutrónové hviezdy - doposiaľ sme ich objavili zhruba 1800. Len mizivé percento pulzarov sa vyskytuje v binárnych systémoch (čiže systémoch zložených z dvoch hviezd, kde aspoň jedna zložka je pulzarom), ktoré umožňujú presne určiť ich hmotnosť. Známych binárnych pulzarov je zatiaľ príliš málo na to, aby nám to umožnilo zistiť presnú hornú hranicu hmotnosti neutrónovej hviezdy - pričom práve tento parameter je popri rozmeroch najdôležitejší pri určovaní podmienok a vlastností tejto extrémne stlačenej formy hmoty (poznámka - hustota hmoty v centre neutrónovej hviezdy dosahuje až desaťnásobok hustoty centra atómového jadra).

Všetky pulzary v katalógu - prezrite si online katalóg pulzarov ATNF obsahujúci najaktuálnejšie informácie o 1800 známych pulzaroch 

Obr. 1: Pod tvrdou železnou kôrou leží tekuté vnútro pozostávajúce z neutrónov a iných ťažkých elementárnych častíc. Jedna míľa je približne 1,6 km.

Kredit: NASA

Obr. 2: Keď jeden z kužeľov pretne pri svojej rotácii našu Zem, pozorujeme zjasnenie pulzaru v rádiovej oblasti (horná časť obrázku) - jeho intenzita prudko stúpne a následne opäť klesne (spodná časť obrázku).

2.) Prečo pátrame po rádiopulzaroch v binárnych systémoch?

Väčšina pulzarov sú veľmi slabé zdroje signálov a vyžadujú si teda použitie veľkých rádioteleskopov. Astronómovia preskúmali celú oblohu pomocou viacerých teleskopov a objavili pulzary v našej Mliečnej dráhe ako aj priľahlých guľových hviezdokopách. Pulzary v iných galaxiách sú mimo dosahu našich prístrojov. Väčšina pulzarov však bola objavená pomocou "integrácie" ich signálu - aby bol odlíšený od šumu, vedci  koordinovaným spôsobom poskladali množstvo pulzov. 

Tento prístup však nie je účinný pri binárnych pulzaroch s krátkou dobou obehu. Najviac binárnych pulzarov totiž pozorujeme zboku, a teda časový rozdiel medzi najbližším a najvzdialenejším bodom ich obežnej dráhy rozmazáva signál natoľko, že je ťažké odlíšiť ho od šumu. To je veľká škoda, pretože väčšina hviezd vo vesmíre nie je jedináčikmi, ale sú súčasťou viacnásobných systémov. Väčšina pulzarov nám teda v doterajších prehliadkach oblohy unikla.

Obr. 3: Väčšinu zo známych rádiopulzarov dokážeme zachytiť len s pomocou najväčších rádioteleskopov na svete, ako napr. 305 metrovou parabolou pri Arecibo na Portoriku (na obrázku), ďalšími teleskopmi v Parkes Observatory v Novom Južnom Walese v Austrálii, Jodrell Bank Observatory v Manchesteri v Anglicku, a Green Bank Telescope vo Virgínii v USA.

Kredit: NAIC = Arecibo Observatory

Obr. 4: Šetrič obrazovky projektu Einstein@home pre hľadanie pulzarov zobrazuje polohy známych pulzarov ako purpurové body.

Kredit: AEI Hannover

3.) Aký je princíp našej metódy?

Naše vyhľadávanie je „slepým vyhľadávaním“. Nevieme totiž vopred vzdialenosť, rýchlosť rotácie ani orbitálne parametre pulzaru, ktorý môže byť skrytý v skúmaných dátach. Musíme hľadať všetky možné kombinácie týchto parametrov aby sme pravdepodobnosť úspešného nájdenia pulzaru maximalizovali .  
Medzihviezdny priestor je vyplnený oblakmi plynu a prachu. Niektoré z týchto mračien majú teplotu okolo 8000 Kelvinov a obsahujú voľné elektróny. Tie potom rozptyľujú cez ne prechádzajúce rádiové vlny, čo sa prejavuje napr. tým, že vyššie frekvencie dorazia k pozemskému pozorovateľovi skôr ako frekvencie nižšie. Čím viac elektrónov sa nachádza v ceste signálu, tým väčší je tento časový posun. Rádioteleskopy pozorujú široké spektrum rádiofrekvencií, takže pozorované dáta musia byť korigované vzhľadom na tento rozptyl. Keďže presná veľkosť rozptylu závisí od neznámej vzdialenosti pulzaru a počtu elektrónov na tejto vzdialenosti, korigujeme dáta voči 628 vopred zvoleným hodnotám rozptylu a prehľadávame nezávisle každé z takto získaných dát. Tento proces sa nazýva „dedisperzia“ (alebo „odrozptyľovanie“), a uskutočňuje sa na serveroch projektu Einstein@Home.           

Keďže nepoznáme ani orbitálne parametre hľadaných sústav, musíme skúšať tisíce rôznych orbitálnych „vzorov“ (možností), každý zodpovedajúci rôznym hodnotám Dopplerovho posunu. Pre každý z týchto vzorov sú skúmané dáta skorigované voči plnému Dopplerovmu javu pre zodpovedajúcu obežnú dráhu. Toto je prvý krok, ktorý sa uskutočňuje na počítačoch pripojených k projektu. Ďalším krokom je testovanie či sa v dátach nájde signál po pulzare nachádzajúcom sa na danej dráhe (alebo veľmi podobnej). Toto sa uskutočňuje pomocou frekvenčnej analýzy (tzv. Fourierova transformácia), ktorá odhalí „nerozmazanú“ obežnú periódu.         
Keďže signály z rádiopulzarov nie sú sínusoidové ale pulzné, frekvenčná analýza ukáže frekvenčné zložky ako základnú frekvenciu a celočíselné násobky tejto frekvencie. Zosumovanie týchto zložiek je veľmi mocným trikom vy vyhľadávaní pulzarov a výrazne zvyšuje citlivosť vyhľadávania. Toto sumovanie je posledným krokom uskutočneným na počítačoch užívateľov. Nakoniec počítače serverom projektu zašlú zoznam najnádejnejších kandidátov, ktorý je už ďalej analyzovaný vedcami.     

Obr. 5: Pohyb pulzaru na obežnej dráhe spôsobuje pravidelnú zmenu v pozorovanej dobe medzi dvoma pulzmi.
Kredit: Adam Chandler
 

Obr. 6: Svetelné krivky pulzarov častokrát pomáhajú odhaliť veľa zaujímavých skutočností, avšak takmer vždy majú jeden poľahky odlíšiteľný hlavný pulz.
Kredit: D. R. Lorimer, Binary and Millisecond Pulsars, Living Rev. Relativity 11, (2008), 8

4.) Čo naša vyhľadávacia metóda prináša nového?

Existujú dva základné spôsoby vyhľadávania binárnych rádiopulzarov - „akceleračné vyhľadávanie“ alebo „vyhľadávanie pomocou postranného pásma“. Prvý z nich koriguje časové posuny použitím zjednodušeného modelu obežnej dráhy, čo je správne len v prípade, že pozorovací čas je podstatne kratší ako obežná doba dvojhviezdneho systému. Druhý spôsob je efektívny len v prípade, že pozorujeme veľký počet obehov daného systému. Medzi týmito dvoma prístupmi je medzera, v ktorej oba výrazne strácajú citlivosť a spoľahlivosť. Naše vyhľadávanie spracováva údaje z 5 minútových pozorovaní. To znamená, že akceleračné vyhľadávanie stráca citlivosť pre obežné doby kratšie než 50 minút, zatiaľ čo vyhľadávanie pomocou postranných pásiem stráca citlivosť pre obežné doby dlhšie než 3 minúty.

Naša nová metóda dokáže túto medzeru pokryť a je citlivá pre obežné doby len 11 minút, čo znamená, že môžeme „vidieť“ až jednu polovicu obehu daného dvojhviezdneho systému (s jeho silne sa meniacim Dopplerovým efektom). Obrázky v tejto sekcii ilustrujú pokrok dosiahnutý použitím tejto metódy.

Interaktívna simulácia binárneho pulzaru.

Skúmajte Dopplerov jav v binárnom systéme s pulzarom pomocou trojdimenzionálneho vizualizačného softwaru "Pulsating Science" („Pulzujúca veda“). Vytvorte, prezerajte a upravujte si binárny systém obsahujúci pulzar a jeho rádiové vyžarovanie. Obrázok zobrazuje screenshot z tejto interaktívnej simulácie.

Na stiahnutie si softwaru použite v závislosti od vášho operačného systému niektorú z nasledujúcich liniek (je potrebný 3D grafický driver):
  Microsoft Windows (XP/Vista, 32 bit)
  Apple Mac OS X (Intel, 32 bit)
  GNU/Linux (from 2.6.8, Intel x86)

Obr. 7: Akceleračné vyhľadávanie na simulovanej 5 minútovej sade údajov pre pulzar s obežnou dobou 11 minút. Šípky označujú periódu signal z pulzaru. Zachytenie je v tomto prípade málo pravdepodobné.
Kredit: AEI Hannover

Obr. 8: Naša nová metóda použitá na rovnaké dáta ako v predchádzajúcom prípade. Ľahko sa dá rozoznať až osem periód pulzaru nad prahom šumu. V tomto prípade je detekcia pulzaru vysoko pravdepodobná.
Kredit: AEI Hannover

Obr. 9: Na tomto obrázku vidíte screenshot z interaktívnej simulácie "Pulsating Science". Aplikácia je k dispozícii na stiahnutie.
Kredit:AEI Hannover

5.) Aký typ údajov je pri vyhľadávaní použitý?

Používame údaje z prebiehajúceho prehľadávania oblohy uskutočňovaného na najväčšom (305 metrovom) rádioteleskope sveta v Arecibo observatóriu v Portoriku. Je vybavený detektorom schopným súčasne pozorovať sedem susediacich oblastí na oblohe, nazývaným Arecibo L-band Feed Array, ("ALFA"). Vyhľadávanie pulzarov je jednou z hlavných úloh tohoto prístroja, realizovaného prostredníctvom medzinárodnej, otvorenej skupiny astronómov  (tzv. ALFA Pulsar Consortium).
Prehľadávanie zahŕňa pozorovanie každej z ALFA oblastí trvajúce 5 minút. V týchto sadách údajov je naše vyhľadávanie pulzarov schopné nájsť dvojhviezdne sústavy s orbitálnymi periódami dlhšími než jedenásť minút.

Ďalšie odkazy:

National Astronomy and Ionosphere Center (NAIC)  je výskumné centrum, ktoré prevádzkuje radioteleskop v Arecibo.
Arecibo telescope photo gallery obsahuje fotografie teleskopu od jeho výstavby až dodnes.
Podrobný popis teleskopu v Arecibo môžete nájsť tu (anglicky).

Obr. 10: ALFA (visiaca na kábli naľavo) je práve inštalovaná do Gregoriánskeho dómu teleskopu (apríl 2004) nachádzajúcom sa v ohnisku 305 metrovej parabolickej antény, v ktorom sú umiestnené prijímače signálu.
Kredit: Tony Acevedo/Arecibo Observatory © Cornell University

Obr. 11: Arecibo L-band Feed Array (ALFA) vnútri Gregoriánskeho dómu.
Kredit: B. Knispel, AEI Hannover

6.) Ako tento projekt pomáha v pátraní po gravitačných vlnách?

Hmota pri urýchľovaní v priestore spôsobuje zmeny v zakrivení časopriestoru. Tieto zmeny sa vo forme gravitačných vĺn šíria priestorom rýchlosťou svetla. Čím kompaktnejšia a masívnejšia hmota je a čím rýchlejšie je urýchľovaná, tým intenzívnejšie sú vyžarované gravitačné vlny. Preto sú dvojhviezdne systémy s kompaktnými zložkami ako napr. neutrónovými hviezdami či čiernymi dierami silnými a dlhotrvajúcimi zdrojmi gravitačných vĺn.     

Na základe výsledkov nášho hľadania pulzarov získame lepšiu predstavu o tom, koľko dvojhviezdnych systémov s neutrónovými hviezdami v našom vesmírnom okolí je. Naviac získame sadu pulzarov so známou polohou na oblohe a orbitálnymi parametrami. Pulzary môžu viacerými spôsobmi emitovať gravitačné vlny v rozsahu frekvencií, ktoré by mali naše pozemské detektory dokázať zachytiť. Výsledky hľadania rádiopulzarov nám umožňujú uskutočňovať tzv. „cielené vyhľadávania“ gravitačných vĺn z binárnych pulzarov v údajoch z observatórií LIGO, VIRGO a GEO600.

Navyše, tieto nové pulzary môžu slúžiť ako kalibračné zdroje pre vesmírne observatórium gravitačných vĺn LISA, ktoré by malo byť vypustené na konci tohto desaťročia. S ním by malo byť možné zachytiť aj gravitačné vlny emitované orbitálnym pohybom v mHz frekvencii. 

Observatóriá gravitačných vĺn

LIGO Homepage
VIRGO Homepage
GEO 600 Homepage
LISA Homepage

Obr. 12: Počas vzájomného obehu neutróvých hviezd bez ohľadu na to či sú pulzarmi alebo nie dochádza k strhávaniu časopriestoru a emitovaniu silných gravitačných vĺn.
Kredit: John Rowe Animation/Australia Telescope National Facility, CSIRO

Obr. 13: Observatóriá gravitačných vĺn ako napr. LIGO v Hanforde sú kilometre dlhé laserové interferometre Michelsonovho typu. Zachytávajú maličké fázové posuny medzi rozdelenými laserovými lúčmi, ktoré by mali byť spôsobené prechádzajúcou gravitačnou vlnou deformujúcou časopriestor.
Kredit: LIGO Laboratory

7.) Čo sa môžeme o rádiopulzaroch dozvedieť a načo to bude dobré?

Rádiopulzary sú od ich objavu v roku 1967 (objavitelia Jocelyn Bell a Anthony Hewish z Cambridge, UK) jednou z najvzrušujúcejších oblastí astronomického výskumu. Napriek tomu, že základnú predstavu o princípe ich fungovania máme, mnoho detailov fyzikálnych procesov zostáva zatiaľ neodhalených. Napríklad: aké množstvo nabitých častíc je urychľovaných ultrasilným magnetickým poľom? Aké sú to typy častíc? Ako presne sa pohybujú? V akej vzdialenosti od povrchu neutrónovej hviezdy sa vytvára žiarenie, ktoré je pozorované rádiovými observatóriami?   

Mnoho ďalších tajomstiev je ukrytých pod povrchom – aká je vnútorná stavba a zloženie takého objektu? Nachádzajú sa v centre neutróny alebo ich zložky, kvarky? Náš nový projekt by mal pomôcť poskytnúť odpovede na tieto otázky. Tieto fascinujúce objekty nie sú predmetom záujmu len pre astrofyziku, ale aj pre jadrovú a časticovú fyziku.   
Astronómovia sa budú zaujímať o informácie o výskyte pulzarov (a teda neutrónových hviezd) ako pozostatkov výbuchu supernov. Sú  naše súčasné znalosti korektné alebo existuje prebytok pulzarov v binárnych sústavách alebo pulzarov vypudených z dvojhviezd vďaka asymetriám pri záverečnom výbuchu hviezdy? S týmito informáciami môžu byť testované a zdokonalené naše modely výbuchu supernov, čo následne umožní upresniť silu gravitačných vĺn vyžiarených pri takejto udalosti a takisto tvar týchto vĺn.     

Obr. 14: Neutrónové hviezdy samotné majú veľmi horúci povrch, ktorý vyžaruje roentgenové žiarenie. Ich extrémne silné magnetické pole urýchľuje častice, ktoré následne vyžarujú žiarenie takmer všetkých vlnových dĺžok, od rádiových až po gamma žiarenie. (na obrázku znázornené bledo modrou farbou).

Obr. 15: Krabia hmlovina — pozostatok explózie hviezdy, ktorá bola na Zemi pozorovaná v roku 1054 ako supernova – je živená energiou žiarenia pulzaru v jej centre.
Foto: NASA, ESA a Allison Loll/Jeff Hester (Arizona State University). Poďakovanie: Davide De Martin

8.) Čo sa stane, ak váš počítač objaví niečo zaujímavé?

Pokiaľ analýza konkrétnej sady pracovných jednotiek je nádejná a vykazuje jasné alebo prinajmenšom podozrivé črty popísané vyššie, analyzovaný cieľ bude vložený na „zoznam kandidátov“. Tento zoznam je zasielaný do konsorcia PALFA na vyhodnotenie. Ak konzorcium považuje konkrétny objekt naďalej za sľubný, naplánuje osobitné dodatočné pozorovanie tohto objektu.

Po získaní potrebných údajov sú tieto dáta analyzované metódami uvedenými v predchádzajúcich kapitolách. Keďže dodatočné pozorovanie daného objektu predstavuje omnoho dlhší pozorovací čas ako počas  všeobecnej prehliadky, toto pozorovanie by malo ukázať či bol skutočne objavený nový pulzar alebo nie, a to s veľmi vysokou pravdepodobnosťou.
Užívatelia, na ktorých počítačoch bola uskutočnená prvotná analýza údajov, ktorá našla kandidáta na pulzar, budú uvedení v sekcii poďakovania vo vedeckom článku o objave.

Obr. 16: Každému kandidátovi na pulzar bude venovaný osobitný pozorovací čas na 305 metrovom teleskope neďaleko Arecibo v Portoriku.

Kredit: NAIC – Arecibo Observatory.

Zdroj: http://einstein.phys.uwm.edu/radiopulsar/html/index.php

Preklad: Juraj Kotulič Bunta