Auf der Suche nach Pulsaren in der Nähe von Sagittarius A*

2017 hat ein spezielles Teleskopnetzwerk namens Event Horizon Telescope (EHT) Bilder von einem supermassiven Schwarzen Loch gemacht, das Sagittarius A* (Sgr A*) heisst und sich im Zentrum unserer Galaxie befindet. Wissenschaftler wollen dieses schwarze Loch genauer untersuchen, insbesondere mit Pulsaren, das sind hochreguläre, rotierende Sterne, die Strahlen von Strahlung ausstossen. Indem sie beobachten, wie sich diese Pulsare in der starken Gravitation rund um Sgr A* verhalten, können die Forscher mehr über die Natur der Gravitation und die Eigenschaften des Schwarzen Lochs selbst lernen.

#Wichtigkeit von Pulsaren

Pulsare sind super nützlich für wissenschaftliche Studien, weil sie wie kosmische Uhren funktionieren. Ihre regelmässigen Pulse können genutzt werden, um Theorien über Gravitation zu testen und Einblicke in andere kosmische Phänomene zu bekommen. Wenn sie Pulsare in der Nähe von Sgr A* finden, hoffen die Wissenschaftler, wichtige Daten zu sammeln, die uns helfen, Sgr A* besser zu verstehen, sowie die Struktur und Dynamik der Umgebung, einschliesslich wie Sterne und andere Objekte sich unter starken Gravitationsfeldern bewegen.

#Herausforderungen bei der Pulsar-Detektion

Pulsare in der Nähe von Sgr A* zu finden, ist keine einfache Aufgabe. Die EHT-Beobachtungen von 2017 wurden bei einer hohen Frequenz von 228 GHz durchgeführt. Pulsare geben oft schwache Signale von sich, besonders bei diesen hohen Frequenzen, was sie schwer nachweisbar macht. Ausserdem gibt es viele Quelllen von Rauschen und Störungen in der Milchstrasse, die die Signale von Pulsaren überlagern können. Zum Beispiel haben Pulsare normalerweise ein steiles Spektrum, was bedeutet, dass sie bei höheren Frequenzen schwächer werden.

Aber die hohe Frequenz hat auch Vorteile. Sie hilft, Streuungseffekte durch das interstellare Medium zu reduzieren, die die Signale von Pulsaren verzerren können. Das heisst, selbst schwache Signale könnten leichter von Hintergrundrauschen unterschieden werden.

#Methodologie

In dieser Studie haben die Forscher Daten von den drei empfindlichsten Teleskopen genutzt, die an der EHT-Kampagne beteiligt waren: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Large Millimeter Telescope (LMT) und IRAM 30m Telescope. Sie haben verschiedene Methoden angewendet, um Pulsare mit diesen Daten zu suchen, wobei sie sich auf Signale in unterschiedlichen Frequenzbändern konzentrierten und fortschrittliche Analysetechniken einsetzten.

#Beobachtungen und Datenverarbeitung

Die Beobachtungen fanden über mehrere Nächte im April 2017 statt. Jede Beobachtung bestand darin, Daten über Sgr A* für etwa 7 bis 10 Minuten zu sammeln. Die Daten wurden in grossen Mengen von Spannungsmessungen aufgezeichnet, die später verarbeitet wurden, um nützliche Informationen zu extrahieren. Die Forscher haben sorgfältig Daten mit Problemen, wie übermässigem Rauschen oder unerwarteten Schwankungen, markiert.

#Pulsarsuche

Zwei Haupttechniken wurden verwendet, um nach Pulsaren zu suchen: Fourier-Domänen-Analyse und der Fast Folding Algorithmus (FFA). Die Fourier-Domänen-Methode schaut sich das Frequenzspektrum der gesammelten Daten an, um periodische Signale zu finden, während sich der FFA darauf konzentriert, die Signalsdaten zu verschiedenen angenommenen Perioden zu falten, um Muster, die auf Pulsare hindeuten, sichtbar zu machen.

Zusätzlich haben die Forscher eine Einzelpuls-Suche durchgeführt, um helle, kurze Strahlenausbrüche zu erkennen, die bestimmte Pulsare erzeugen, die viel stärker sein können als ihre regulären Pulse.

#Ergebnisse

Trotz gründlicher Suche und Analyse haben die Forscher keine neuen Pulsare oder signifikante Ausbrüche in ihren Daten gefunden. Auch wenn das erstmal enttäuschend erscheinen mag, könnte es tatsächlich wichtige Einblicke in die Pulsar-Population im Galaktischen Zentrum geben.

#Sensitivitätsanalyse

Die Sensitivität der Suche sagt uns etwas über die kleinsten Pulsar-Signale aus, die möglicherweise in den Daten erkannt werden könnten. Die Forscher führten Tests durch, um die Sensitivität ihrer Suchmethoden zu schätzen, indem sie Pulsar-Signale simulierten und in die realen Daten einspeisten, um zu sehen, ob sie immer noch identifizierbar wären.

Für schnell rotierende Pulsare fand das Team heraus, dass die benötigte Flussdichte (oder Stärke), um sie zu erkennen, etwa 0,02 mJy für ALMA, 0,4 mJy für LMT und 1 mJy für das IRAM 30m-Teleskop betrug. Das zeigt, dass sie zwar sehr helle Pulsare erkennen könnten, viele potenzielle Kandidaten aber wahrscheinlich unter diesen Schwellenwerten liegen würden.

#Potenzielle Pulsar-Population

Die Forscher haben festgestellt, dass die geschätzte Anzahl von Pulsaren im Galaktischen Zentrum zwischen Hunderten und Tausenden liegen könnte. Allerdings ist es aufgrund der hohen Frequenz, die sie in ihren Beobachtungen verwendet haben, und der typischen schwachen Emission von Pulsaren wahrscheinlich, dass sie nur einen kleinen Bruchteil der Pulsare entdeckt haben, die in diesem Gebiet existieren könnten.

Ihre Studie legt nahe, dass viele Pulsare Signale unterhalb der Erkennungsgrenzen ihrer Suche ausstrahlen könnten, insbesondere Millisekunden-Pulsare (MSPs), die bekanntlich weniger leuchtend sind als normale Pulsare.

#Auswirkungen auf zukünftige Forschung

Obwohl keine neuen Pulsare gefunden wurden, legt diese Suche den Grundstein für zukünftige Studien, die die Erkennungsstrategien verbessern könnten. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Suche nach Pulsaren im Galaktischen Zentrum zu verbessern. Zum Beispiel könnten zukünftige Beobachtungen ein breiteres Bandbreite verwenden, um die Datensammelung empfindlicher zu machen.

Zudem könnte die Nutzung der kombinierten Stärken des gesamten EHT-Arrays durch kohärente Summierung der Daten die Sensitivität erheblich verbessern und die Erkennungsfähigkeiten steigern. Daten zu unterschiedlichen Zeiten zu sammeln könnte auch helfen, Schwankungen in der Pulsar-Emission zu berücksichtigen, was es einfacher macht, sie zu entdecken.

#Fazit

Insgesamt hat die Suche nach Pulsaren in der Nähe von Sgr A* mit den EHT-Daten von 2017 keine neuen Entdeckungen ergeben, was jedoch nicht bedeutet, dass Pulsare in diesem Bereich nicht existieren. Die Methoden und Analysen haben wertvolle Einblicke gegeben, was zukünftige Suchen berücksichtigen sollten, und haben die Herausforderungen hervorgehoben, schwache Pulsar-Signale in einer überfüllten und komplexen galaktischen Umgebung zu erkennen.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit besseren Techniken und Beobachtungen bei unterschiedlichen Frequenzen und Bedingungen es immer noch möglich sein könnte, Pulsare rund um Sgr A* zu finden und unser Verständnis von fundamentalen physikalischen Prozessen in extremen Umgebungen voranzubringen. Diese Forschung dient als Sprungbrett für fortlaufende Bemühungen, die Geheimnisse des Universums und das Verhalten der himmlischen Körper, die es bevölkern, zu entschlüsseln.