Eerste waarneming van een pulsar

Het weekend van 18/19 oktober was een druk weekend voor de Dwingeloo Telescoop. Van vrijdagavond tot zaterdagochtend was er een EME-contest en op zondag de open dag. Tussendoor, op zaterdagmiddag en -avond, waren Paul Boven (PE1NUT) en Pieter-Tjerk de Boer (PA3FWM) in de Dwingeloo Telescoop om weer eens wat radioastronomische waarnemingen te proberen, met in het bijzonder de hoop eindelijk een pulsar te kunnen ontvangen. Paul was dat al lange tijd aan het voorbereiden: uitzoeken wat voor technieken daarvoor nodig zijn en berekenen wat er met de Dwingeloo Telescoop mogelijk zou moeten zijn.

Een pulsar is een neutronenster die snel om z’n as draait en daarbij een bundel radiogolven uitzendt. Die bundel ‘zwaait’ dus door het heelal als ware het een kosmische vuurtoren. Kijkend (met de Dwingeloo Telescoop) vanaf de aarde naar zo’n pulsar zien dus we een periodieke, kortstondige toename van het ruisniveau (want een pulsar zendt geen mooie draaggolf, maar breedbandige ruis uit). Helaas is die ruistoename vrij gering in vergelijking met de achtergrondruis. Om de pulsar te kunnen waarnemen, moet je het ruisniveau dus heel precies kunnen meten, anders verdwijnt de periodieke toename (letterlijk) in de ruis.

Een ruisniveau precies meten doe je door over een grote bandbreedte te meten en gedurende lange tijd uit te middelen. Vroeger heeft men daarvoor ongetwijfeld fraaie analoge constructies gemaakt, maar tegenwoordig is het het handigst om de te meten ruis via een analoog-digitaal-omzetter digitaal te maken en dan daaraan met digitale hardware of met software te gaan rekenen.

Een eerste poging om een pulsar waar te nemen in juli, waarbij we de WebSDR-hardware gebruikten met 48 kHz bandbreedte, was helaas mislukt. Daarom hadden zowel Paul als ik nu zwaarder geschut meegebracht: AD-omzetters met tientallen MHz bandbreedte en daarachter een FPGA (programmeerbare digitale logica) voor de verdere verwerking. Helaas bleek Paul’s schakeling in de Dwingeloo Telescoop niet te werken (thuis wel, zowel vooraf als naderhand!) zodat we het uiteindelijk met alleen mijn bouwsel (dat eigenlijk voor kortegolfontvangst is ontwikkeld) moesten doen.

Omdat onze schakelingen niet direct op 70 cm of 23 cm werken, waren nog downconverters nodig:

• voor 70 cm een in de Dwingeloo Telescoop aanwezige Rohde & Schwarz ontvanger met MF-uitgang;
• voor 23 cm de LT23 transverter van Jan van Muijlwijk (PA3FXB) die eerder nog voor de WebSDR was gebruikt.

We hebben ons – en de Dwingeloo Telescoop – eerst maar eens op de sterkste pulsar aan het firmament gericht: PSR B0329+54 met een periode van 0,715 seconde en een pulsduur van 6,6 milliseconde. De eerste poging om deze waar te nemen op 70 cm waar hij in theorie een stuk sterker moest zijn dan op 23 cm mislukte. Maar op 23 cm lukte het wel en dat zag er in eerste instantie uit als in figuur 1.

Figuur 1 – Eerste pulsarwaarneming door CAMRAS

De grafiek op de laptop is een wiskundige bewerking (Fouriertransformatie) van enkele minuten ontvangen ruisvermogen en het piekje geeft aan dat er ‘iets’ periodieks in zit met een periode van ruim 0,7 seconden. Daarmee is dan wel de aanwezigheid van de pulsar aangetoond maar eigenlijk wil je dan ook een grafiek maken van de pulsvorm zelf. Helaas is elke afzonderlijke puls te zwak om er een mooie grafiek van te maken, maar je krijgt wel een mooie grafiek als je een heleboel opeenvolgende pulsen als het ware over elkaar heen schuift en dan uitmiddelt. In de grafiek van figuur 2 zijn de groene stippen de individuele gemeten ruisniveaus en de rode lijn is het gemiddelde daarvan over in totaal 705 pulsen.

Figuur 2 – De puls van pulsar PSR B0329+54 op 23 cm

Merk op dat in de ruwe data (de groene stippen) maar net te zien is dat er een periodieke verhoging in zit. Na uitmiddelen (de rode lijn) is goed te zien dat de pulsar 1 scherpe piek heeft, maar ook dat hij nog ‘schouders’ ervoor en erna heeft (wat ook uit de wetenschappelijke literatuur bekend is).

Na het succes op 23 cm lukte het ook om de pulsar op 70 cm uit de ruis te vissen. Daarbij kon nog een karakteristiek verschijnsel worden waargenomen: dispersie. Dat betekent dat de signalen van de pulsar niet op alle frequenties precies tegelijk op aarde aankomen: hoe lager de frequentie hoe langer het signaal door het interstellaire medium onderweg is. We hebben een meting gedaan in twee bandjes van elk 1 MHz breed, rond 437 en 441 MHz, met de grafiek in figuur 3 als resultaat.

Figuur 3 – De puls van pulsar PSR B0329+54 op twee frequenties bij 70 cm (437 en 441 MHz)

Duidelijk is te zien dat de puls op 437 MHz circa 11 milliseconde later aankomt dan op 441 MHz. Anderzijds is de pulsvorm nu veel vager dan op 23 cm. Dat komt door diezelfde dispersie, want die zorgt ervoor dat ook binnen onze 1 MHz meetbandbreedte de puls al aanzienlijk is ‘uitgesmeerd. Daarmee is meteen ook een van de uitdagingen voor verdere waarnemingen duidelijk: om gevoeliger te kunnen meten (voor zwakkere pulsars) zouden we in nog meer bandbreedte willen meten, maar dan gaat de dispersie voor nog meer uitsmering zorgen. Daarvoor zal dus gecompenseerd moeten worden: er is een frequentie-afhankelijke vertraging nodig.

Een andere uitdaging is het feit dat het vooral op 70 cm moeilijk is om 1 MHz aan ‘schone’ bandbreedte te vinden, laat staan meer. De spectrumanalyzer laat zien dat er heel wat aardse signalen de opstelling binnenkomen. Hoe is nog onduidelijk, dus wellicht valt er met afschermen nog wat te winnen; anders zullen we moeten gaan filteren. Verder zou het voor demonstraties mooi zijn als we de gevoeligheid zover kunnen vergroten dat we de sterkste pulsar ‘live’ kunnen ontvangen in plaats van met een analyse achteraf, bijvoorbeeld op het gehoor of met een oscilloscoop.