Encuesta PALFA

PALFA es un estudio a gran escala de púlsares de radio a 1,4 GHz que utiliza el telescopio de 305 metros de Arecibo y los receptores multihaz ALFA. Es el estudio más grande y sensible del plano galáctico realizado hasta la fecha. ^{[ 1 ]}

La mayoría de los avances en la astronomía de púlsares se deben al descubrimiento de nuevos objetos. Un aumento significativo en la sensibilidad de búsqueda ya ha dado inicio a una nueva era de descubrimientos en el Observatorio de Arecibo.

Este aumento en la sensibilidad de búsqueda se debe principalmente al receptor ALFA y a los estudios de púlsares que posibilita, los cuales están siendo realizados por el Consorcio de Púlsares utilizando el radiotelescopio de 305 m de Arecibo. Las estimaciones preliminares (véase más abajo) indican que el estudio del plano galáctico de Arecibo con ALFA podría descubrir cientos de nuevos púlsares. Hasta noviembre de 2019, el estudio ya había descubierto un total de 192 nuevos púlsares .

El estudio se centra en latitudes galácticas bajas (|b|≤5°) en los rangos de longitud galáctica accesibles por el telescopio de Arecibo (32°< l <77°) y 168°< l <214°). Una vez completado, se espera encontrar cientos de nuevos púlsares. Los aspectos más destacados del estudio incluyen los descubrimientos del segundo púlsar binario más relativista conocido, PSR J1906+0746, ^{[ 2 ]} y el primer púlsar binario excéntrico de milisegundos en el plano galáctico, PSR J1903+0327 ^{[ 3 ]} Además, PALFA ha producido el primer descubrimiento de púlsar mediante computación voluntaria, PSR J2007+2722, a través del proyecto de computación distribuida Einstein@Home . ^{[ 4 ]} Los descubrimientos incluyen todas las variedades conocidas de estrellas de neutrones alimentadas por rotación : púlsares de milisegundos, ^{[ 5 ] [ 6 ]} binarias relativistas, ligeramente recicladas, ^{[ 4 ]} púlsares jóvenes normales y energéticos. ^{[ 7 ]} Catorce de los objetos ALFA se han identificado a través de sus pulsos individuales intermitentes y probablemente sean transitorios de radio rotatorios (RRAT). ^{[ 8 ]} El resto se ha descubierto mediante búsquedas de periodicidad ciega. Se realizan observaciones de sincronización de radio de seguimiento a través de un esfuerzo coordinado entre Arecibo , Jodrell Bank , Greenbank y Nançay para obtener soluciones de sincronización conectadas en fase para estos púlsares.

La primera ráfaga de radio rápida descubierta por un telescopio distinto al radiotelescopio de Parkes fue identificada en un PALFA apuntando al anticentro galáctico. ^{[ 9 ]} Esta fue la primera ráfaga de radio rápida repetitiva jamás descubierta.

El estudio PALFA es realizado por un consorcio internacional de científicos de Estados Unidos, Canadá, Alemania, Países Bajos, Reino Unido, Australia y Francia. La investigadora principal del estudio PALFA es la profesora Victoria Kaspi de la Universidad McGill .

Con ALFA, se necesitan 47 apuntamientos para cubrir un grado cuadrado, en comparación con los aproximadamente 330 apuntamientos necesarios para cubrir un grado cuadrado con una densidad similar con una alimentación de un solo píxel. Inicialmente, el estudio utilizó los procesadores de púlsar de Arecibo de banda ancha (WAPP) para detectar la señal de los siete haces de ALFA. Estos cubren 100  MHz de banda (con capacidad de doble polarización), inicialmente centrados en 1420  MHz y ahora en 1440  MHz. Para fines de búsqueda, se producen espectros de 256 canales cada 64  microsegundos. En 2009, el estudio pasó a utilizar nuevos y mejorados sistemas de procesamiento, los espectrómetros de banco de filtros polifásicos Mock, que son capaces de cubrir 300  MHz (de 1225  MHz a 1525  MHz, el ancho de banda cubierto por ALFA) para cada uno de los siete haces (consulte las especificaciones técnicas detalladas aquí). Esto ha dado lugar a una sensibilidad de búsqueda mucho mayor y mejores medios para lidiar con toda la interferencia de radiofrecuencia.

Muchas de las detecciones realizadas hasta la fecha se han llevado a cabo con un paquete de procesamiento rápido que permite encontrar púlsares casi en tiempo real. Esto es posible gracias a la reducción de la resolución espectral y temporal en un factor de 16, y al uso de un clúster de computadoras, el Procesador de Señales de Arecibo, para buscar púlsares en los datos. Este método es rápido y eficaz para detectar púlsares lentos, pero la sensibilidad a los púlsares rápidos se ve gravemente afectada. El reprocesamiento de estos datos con resolución completa es, desde el punto de vista computacional, una tarea muy compleja, pero esencial para detectar muchos púlsares rápidos (tanto jóvenes como reciclados) que hasta ahora permanecían ocultos por el plasma galáctico.

Se prevé que, en los próximos años, este estudio genere más de 1000  terabytes de datos. Los datos se almacenan en el Centro de Computación Avanzada de la Universidad de Cornell . Los datos brutos de resolución completa se procesan de forma independiente mediante tres sistemas informáticos.

El sistema de procesamiento de datos de la Universidad de Cornell ha realizado búsquedas de periodicidad estándar y búsquedas de pulsos individuales sin realizar búsquedas de aceleración. Se ha aplicado a todos los datos de WAPP archivados en el Centro de Computación Avanzada de la Universidad de Cornell y ha proporcionado 2,5  millones de señales candidatas. Actualmente se está llevando a cabo la selección de estas numerosas candidatas.

El segundo pipeline se basa en PRESTO, un amplio conjunto de software para la búsqueda y el análisis de púlsares desarrollado por Scott Ransom. Emplea una técnica de búsqueda acelerada en el dominio de Fourier , que compensa la pérdida de sensibilidad de detección en una búsqueda de periodicidad tradicional debido a la rápida variación de la frecuencia de la señal periódica del púlsar. Dicha modulación de frecuencia puede ocurrir, por ejemplo, debido al movimiento orbital de un púlsar en un sistema binario compacto. Este enfoque, por lo tanto, aumenta significativamente la sensibilidad a los púlsares binarios. El pipeline PRESTO se ejecuta en clústeres dedicados en varias instituciones que participan en el sondeo ALFA, generando más de 3  millones de candidatos a señal. Durante los últimos dos años, la supercomputadora Guillimin, administrada por la Universidad McGill como parte de CLUMEQ , ha estado procesando la mayor parte de los datos de PALFA con PRESTO.

Desde marzo de 2009, parte de la capacidad de cálculo de Einstein@Home se utiliza para analizar los datos de PALFA. El algoritmo de Einstein@Home es especialmente sensible a los púlsares de radio en sistemas binarios compactos (de tan solo 11  minutos de duración), con una cobertura del espacio de fases complementaria a la del sistema PRESTO. Hasta la fecha, ha vuelto a detectar 123 púlsares de radio previamente conocidos, así como varios púlsares desconocidos hasta entonces.

Los datos procesados ​​hasta el momento revelan que la interferencia de radiofrecuencia (RFI) en Arecibo afecta significativamente el umbral de detección del estudio, generando dificultades imprevistas para identificar los numerosos púlsares débiles que probablemente se encuentran ocultos en los datos. Para abordar este problema, el consorcio PALFA está desarrollando activamente técnicas innovadoras para la identificación, mitigación y eliminación de la RFI. Asimismo, estamos implementando diversas heurísticas y algoritmos de aprendizaje automático para identificar púlsares reales entre los millones de señales candidatas, la mayoría de las cuales parecen deberse a la RFI. El inevitable aumento en la incidencia y variedad de la RFI antropogénica sugiere que este problema probablemente será importante para todos los futuros estudios de púlsares de radio.

El Centro de Comando Remoto de Arecibo (ARCC), integrado por la Universidad de Texas en Brownsville , la Universidad de Wisconsin-Milwaukee y el Franklin & Marshall College, se dedica actualmente a la búsqueda de púlsares de radio en los datos de PALFA. El ARCC es un centro integrado de investigación y educación que permite a estudiantes de secundaria y universitarios participar directamente en la investigación del telescopio de Arecibo. Se han desarrollado herramientas web para que los estudiantes puedan clasificar los candidatos a púlsares identificados mediante el análisis PRESTO.