Galactic Centre Pulsars with the SKAO

In het hart van ons Melkwegstelsel ligt een gebied van intense zwaartekracht en mysterie, gedomineerd door een supermassief zwart gat dat bekend staat als Sagittarius A*. Decennialang hebben astronomen de banen van sterren in kaart gebracht die rond deze onzichtbare reus tollen, waarmee hun bestaan is bevestigd en de wetten van de fysica in extreme omgevingen zijn getest. Toch ontbreekt er nog één cruciaal puzzelstuk: een pulsar. Een pulsar is een snel draaiende dode ster die radiogolven uitzendt met de precisie van een kosmische klok. Als een dergelijke klok gevonden zou worden die dicht bij het zwarte gat draait, zou dit wetenschappers in staat stellen om het weefsel van ruimte en tijd te meten met een nauwkeurigheid die momenteel onmogelijk is, wat potentieel nieuwe waarheden over de zwaartekracht en de aard van het universum zou onthullen. Het probleem is dat het centrum van ons sterrenstelsel een chaotische, stoffige plek is die radiosignalen verstoort, waardoor het extreem moeilijk is om deze kosmische klokken te horen.

Een nieuwe studie schetst een gericht plan om deze ongrijpbare signalen eindelijk te vinden met behulp van de Square Kilometre Array, een enorme radiotelescoop die momenteel in aanbouw is in Zuid-Afrika. De onderzoekers leggen uit dat hoewel eerdere surveys met de meest gevoelige telescopen ter wereld slechts zeven pulsars hebben gevonden binnen honderd lichtjaar van het zwarte gat, deze instrumenten niet gevoelig genoeg waren om door de dikke interferentie van het galactisch centrum heen te dringen. Het team voert aan dat de volgende generatie van de telescoop, specifiek de mid-frequentie array, de nodige kracht zal bezitten om door deze ruis heen te snijden. Door te observeren op zeer hoge radiofrequenties, waar de signaalvervorming zwakker is, en door geavanceerde zoektechnieken toe te passen die zoeken naar signalen die door de zwaartekracht van het zwarte gat zijn uitgerekt of vertraagd, heeft het project als doel een verborgen populatie pulsars te onthullen. De auteurs suggereren dat het vinden van zelfs maar één pulsar in een nauwe baan rond het zwarte gat een historische prestatie zou zijn, die tests van de zwaartekracht mogelijk maakt die veel verder gaan dan wat haalbaar is met huidige binaire sterrenstelsels.

Het artikel beschrijft hoe het team van plan is de specifieke uitdagingen van het galactisch centrum aan te pakken. Een grote hindernis is de verstrooiing van radiogolven terwijl ze door geïoniseerd gas passeren, wat de scherpe pulsen van een pulsar vervaagt tot een lange, onduidelijke veeg. Dit effect is zo sterk bij lagere frequenties dat het de signalen van de snelst draaiende pulsars, de zogenaamde milliseconde-pulsars, effectief verbergt; dit zijn juist de beste kandidaten voor precieze zwaartekrachttests. Om dit te overwinnen, behelst de voorgestelde strategie het luisteren naar frequenties boven de 5 gigahertz, waar de verstrooiing aanzienlijk minder is. De onderzoekers hebben berekend dat zij, met de volledige capaciteiten van de nieuwe telescoop, tot 84 procent van de pulsars die in deze regio zouden kunnen bestaan, zouden kunnen detecteren, mits de verstrooiing niet ernstiger is dan wat is waargenomen bij de weinige bekende voorbeelden. Als de verstrooiing inderdaad zo extreem is als sommige modellen voorspellen, daalt het succespercentage, maar de hoge frequentiebanden bieden nog steeds een realistische kans op ontdekking.

Naast de jacht op de begeleider van het zwarte gat, benadrukt de studie de waarde van het vinden van elke pulsar in de centrale regio om de omgeving zelf te begrijpen. Het team merkt op dat de weinige reeds ontdekte pulsars vreemd gedrag hebben vertoond, zoals snelle veranderingen in hun magnetische signaturen, wat wijst op een turbulente en complexe omgeving vol magnetische velden en gasstromen. Door deze signalen in kaart te brengen, hopen astronomen de dichtheid van gas en de sterkte van magnetische velden in de kern van de Melkweg te meten, wat een duidelijker beeld geeft van hoe sterren ontstaan en evolueren in zo'n drukke buurt. Bovendien zou de aanwezigheid van deze pulsars kunnen helpen bij het oplossen van een langlopend debat over een mysterieuze overmaat aan gammastraling die uit het centrum van de Melkweg komt. Sommige wetenschappers geloven dat deze gloed afkomstig is van de annihilatie van donkere materie, terwijl anderen beweren dat het het gecombineerde licht is van duizenden zwakke, niet-ontdekte pulsars. Een succesvolle survey met de nieuwe telescoop zou deze pulsars kunnen tellen en bepalen welke verklaring correct is.

De onderzoekers beschrijven ook een geavanceerde aanpak voor de zoektocht zelf, waarbij ze verder gaan dan standaardmethoden die ervan uitgaan dat een pulsar met een constante snelheid draait. Omdat een pulsar die in een baan rond een supermassief zwart gat draait onderhevig is aan immense zwaartekrachten, kan zijn signaal sneller of langzamer lijken te gaan op manieren die traditionele zoekalgoritmen in verwarring brengen. Het team stelt nieuwe technieken voor die rekening houden met deze versnellingen en zelfs de "jerk" of plotselinge veranderingen in beweging, om er zeker van te zijn dat geen enkel signaal wordt gemist door de extreme dynamiek van de baan. Ze zijn van plan om het centrum van de Melkweg gedurende lange perioden te observeren, waarbij ze meerdere bundels gebruiken om een breed gebied te bestrijken en om te verifiëren dat een gedetecteerd signaal een echt hemellichaam is en geen artefact van de telescoop. Het uiteindelijke doel is om een uitgebreid archief van gegevens te creëren dat decennialang als bron zal dienen voor de wetenschappelijke gemeenschap, zodat toekomstige onderzoekers zelfs geavanceerdere instrumenten op dezelfde observaties kunnen toepassen.

Hoewel het artikel niet beweert dat er een pulsar rond het zwarte gat is gevonden, presenteert het een helder en overtuigend betoog dat de technologie om er een te vinden nu binnen handbereik ligt. De auteurs uiten hun vertrouwen dat de Square Kilometre Array eindelijk de verborgen populatie pulsars in het centrum van de Melkweg zal onthullen, wat ons begrip van de meest extreme omgeving in ons sterrenstelsel zal transformeren. De ontdekking van zelfs maar één dergelijk object zou een nieuw venster openen naar de aard van de zwaartekracht, de verdeling van donkere materie en de geschiedenis van stervorming in het hart van de Melkweg. Tot die tijd gaat de zoektocht door, gedreven door de belofte dat de volgende generatie telescopen ons eindelijk in staat zal stellen om het tikken van de meest precieze klokken van het universum te horen.