Un pulsar à rayons gamma est une étoile à neutrons compacte qui accélère des particules chargées à des vitesses relativistes dans son champ magnétique extrêmement puissant. Ce processus produit un rayonnement gamma (violet) bien au-dessus de la surface des restes compacts de l'étoile, par exemple, tandis que les ondes radio (vertes) sont émises sur les pôles magnétiques sous la forme d'un cône. La rotation déplace les régions d'émission à travers la ligne de visée terrestre, faisant s'allumer périodiquement le pulsar dans le ciel. Crédit :© NASA/Fermi/Cruz de Wilde
Une analyse qui aurait pris plus de mille ans sur un seul ordinateur a trouvé en un an plus d'une douzaine de nouvelles étoiles à neutrons en rotation rapide dans les données du télescope spatial à rayons gamma Fermi. Grâce à la puissance de calcul offerte par des bénévoles du monde entier, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Institut Max Planck de physique gravitationnelle à Hanovre, Allemagne, recherché des périodicités révélatrices dans 118 sources Fermi de nature inconnue. En 13, ils découvrirent une étoile à neutrons en rotation au cœur de la source. Alors que ceux-ci sont tous - astronomiquement parlant - jeunes avec des âges compris entre des dizaines et des centaines de milliers d'années, deux tournent étonnamment lentement – plus lentement que tout autre pulsar à rayons gamma connu. Une autre découverte a connu un "glitch", un changement soudain d'origine inconnue dans sa rotation par ailleurs régulière.
« Nous avons découvert tant de nouveaux pulsars pour trois raisons principales :l'énorme puissance de calcul fournie par Einstein@Home ; notre invention de méthodes de recherche nouvelles et plus efficaces ; et l'utilisation de données Fermi-LAT récemment améliorées. notre large enquête sur plus de 100 sources du catalogue Fermi, " dit le Dr Colin Clark, auteur principal de l'article maintenant publié dans The Journal d'astrophysique .
Les étoiles à neutrons sont des restes compacts d'explosions de supernova et se composent d'exotiques, matière extrêmement dense. Ils mesurent environ 20 kilomètres de diamètre et pèsent jusqu'à un demi-million de Terres. En raison de leurs champs magnétiques puissants et de leur rotation rapide, ils émettent des ondes radio et des rayons gamma énergétiques similaires à ceux d'un phare cosmique. Si ces faisceaux pointent vers la Terre une ou deux fois par rotation, l'étoile à neutrons devient visible en tant que source pulsée de radio ou de rayons gamma – un soi-disant pulsar.
Détection « aveugle » des pulsars gamma
Trouver ces pulsations périodiques à partir de pulsars gamma est très difficile. En moyenne, seulement 10 photons par jour sont détectés à partir d'un pulsar typique par le Large Area Telescope (LAT) à bord du vaisseau spatial Fermi. Pour détecter les périodicités, des années de données doivent être analysées, au cours de laquelle le pulsar pourrait tourner des milliards de fois. Pour chaque photon, il faut déterminer exactement quand au cours d'une seule rotation d'une fraction de seconde il a été émis. Cela nécessite de rechercher sur des années des ensembles de données avec une résolution très fine afin de ne manquer aucun signal. La puissance de calcul requise pour ces "recherches aveugles" - lorsque peu ou pas d'informations sur le pulsar sont connues à l'avance - est énorme.
Des recherches aveugles similaires précédentes ont détecté 37 pulsars gamma dans les données Fermi-LAT. Toutes les découvertes de recherche à l'aveugle au cours des 4 dernières années ont été faites par Einstein@Home qui a trouvé un total de 21 pulsars gamma lors de recherches à l'aveugle, plus d'un tiers de tous ces objets découverts grâce à des recherches à l'aveugle.
Le ciel entier vu par le télescope spatial à rayons gamma Fermi et les 13 pulsars découverts par Einstein@Home qui sont maintenant publiés. Le champ sous chaque encart montre le nom du pulsar et sa fréquence de rotation. Les drapeaux dans les encarts montrent les nationalités des volontaires dont les ordinateurs ont trouvé les pulsars. Crédit :Knispel/Clark/Max Planck Institute for Gravitational Physics/NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration
Ressource informatique Einstein@Home
En mobilisant l'aide de dizaines de milliers de bénévoles du monde entier en faisant don de cycles de calcul inactifs sur leurs dizaines de milliers d'ordinateurs à la maison, l'équipe a pu mener une enquête à grande échelle avec le projet d'informatique distribuée Einstein@Home. Au total, cette recherche a nécessité environ 10, 000 ans de temps de cœur CPU. Cela aurait pris plus de mille ans sur un seul ordinateur domestique. Sur Einstein@Home, il s'est terminé en un an, même s'il n'a utilisé qu'une partie des ressources du projet.
Les scientifiques ont sélectionné leurs cibles parmi 1000 sources non identifiées dans le troisième catalogue de sources Fermi-LAT en fonction de leur distribution d'énergie des rayons gamma en tant qu'objets les plus « de type pulsar ». 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 Journal d'astrophysique 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. À l'avenir, 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."
