帕克斯脉冲星计时阵

2023年,国际上几个脉冲星计时阵团队同时独立宣布发现了纳赫兹引力波背景信号的证据。这预示着一扇全新的引力波天文学观测窗口即将打开。帕克斯脉冲星计时阵是第一个正式运行的脉冲星计时阵实验,在研发先进的脉冲星观测仪器和高效的数据处理软件、发展脉冲星计时噪声分析和引力波搜寻方法等方面做出了开创引领性贡献。文章将介绍帕克斯脉冲星计时阵的发展历程、对领域的独特贡献和最新的研究成果。

欧洲脉冲星计时阵

脉冲星计时阵是星系尺度的引力波探测器,通过对多个毫秒脉冲星进行长期计时观测来探测低频纳赫兹引力波,可能的引力波源有星系中心超大质量双黑洞的并合和早期宇宙的物理过程等。2023年,国际上多个脉冲星计时阵团队宣布发现了纳赫兹引力波存在的证据。在利用脉冲星计时阵探测低频引力波的研究中,欧洲具有长久的历史和重要的贡献。文章介绍欧洲脉冲星计时阵的发展历程、观测数据、早期科学研究和最新进展。

中国脉冲星计时阵

2016年,激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布探测到两个恒星级质量黑洞合并产生的百赫兹引力波,由此打开了引力波天文学时代的序幕。在经过数十年的努力之后,2023年6月,包括中国在内的国际上多个脉冲星计时阵合作组也宣布对宇宙的低频交响——纳赫兹引力波的搜寻取得重要进展。文章将介绍这几个合作组之一——中国脉冲星计时阵合作组的发展历程、观测与数据情况,以及其在纳赫兹引力波探测的进展,最后讨论对未来的展望。

毫秒脉冲星计时观测进展

在评述国际上毫秒脉冲星长期计时观测成果的基础上,比较了由毫秒脉冲星自转定义的脉 冲星时PT与原子时AT的长期稳定度。毫秒脉冲星PSR B1855+09 15 yr的长期稳定度优于 原子时TAI-USNO,而接近原子时TAI-PTB;其短期稳定度主要受到计时观测误差的限 制。毫秒脉冲星PSR J0437-47 1 yr以上的稳定度明显优于上述两原子时系统。毫秒脉冲星PSR B1937+21和PSR J1713+07的长期稳定度受到低频噪声影响,但仍能对综合脉冲星时PTens的 建立与保持作出贡献。另外,介绍和评述了国际上脉冲星计时阵的现状及发展。随着脉冲星计时阵 的实施,在脉冲星时间标准研究、原子时误差、太阳系历表误差研究和引力波探测方面将会取得重 要成果;展望了国际上平方公里望远镜(SKA)在毫秒脉冲星计时观测方面的发展前景。

毫秒(ms)脉冲星计时观

简介了国际上脉冲星计时研究的成果。主要评述中国在脉冲星计时研究方面的进展和观点:某些ms脉冲星可以用作天然的高精度的频率标准源。ms脉冲星时(PTens)的长期稳定度随观测时间的加长而提高,同时,它具有寿命长,稳定、可靠、不需要维修等优点。尽早适时地建立专门用于测量ms脉冲星时(PTens)的脉冲星钟系统网络是有益的。我国正在建设用于脉冲星脉冲到达时间(TOA)测量的50m射电望远镜,和正在研究(FAST)500m射电望远镜。论述了脉冲星时间尺度的建立是可行的,脉冲星时和原子时可以"交叉比对,相互检验,并肩发展"。研究表明综合脉冲星时的长期稳定度明显优于原子时。阐述了把小波分析方法应用于时间尺度,研究结果比较传统方法有明显的优势。对国际间的合作提出建议。并展望了中国的脉冲星计时规划。

脉冲星计时技术及其应用

简述脉冲星发现和计时观测的概况。文中概述脉冲星计时的物理模型和计算用的各种钦件,特别是全球广泛应用的TEMPO2软件,并描述脉冲星计时阵的概念和国际脉冲星计时阵。对脉冲星计时观测应用:建立脉冲星时标、改进行星历表(包括外行星质量测定和海外天体的发现)、检测引力波、测定脉冲星的旋转和天体测量参数、脉冲星自主导航、相对论引力理论的验证等作了介绍。最后,对我国开展此项工作的情况给予简要描述,并提出若干建议。

毫秒脉冲星计时的方法和发展研究

介绍了脉冲星的时间频率特征 .阐述了该课题研究的意义 ,国内外毫秒脉冲星计时理论方法和技术方面的研究进展 .分析了我国开展毫秒脉冲星计时研究的可行性、目标及任务 ,并对其中的关键问题给予讨论 .最后对该领域的研究发展前景进行展望 .

毫秒脉冲星计时观测的研究进展

对毫秒脉冲星时间测量的理论、方法和技术研究的进展进行了阐述。根据近年来取得的观测研究结果，毫秒脉冲星计时测量误差～2×10－7秒，毫秒脉冲星自转周期稳定性足以和现代原子钟相媲美：其相对频率不稳定度达到1×10－14（1年≤γ≤5．2年），并可望更高。近年来，脉冲星计时观测系统的接收灵敏度获得很大改进，计时观测的数据采集、处理技术、脉冲到达时间分析模型研究等都有长足发展。通过综合脉冲星时间算法得到的脉冲星时间尺度将比现代原子时具有更高的长期稳定度。叙述了脉冲星的物理特性及有关计时观测系统的技术成果，如观测频率和带宽的选择，消色散和接收系统灵敏度等问题。最后对毫秒脉冲星时间测量的误差源进行了讨论，并对脉冲星时间尺度的应用前景做了展望。

脉冲星计时中噪声对稳定度的影响分析

脉冲星计时中存在多种噪声,使得建立的脉冲星时稳定度受到不同程度的影响。首先利用模拟数据,分别给出了白噪声和脉冲星自转不稳定引起的计时红噪声对脉冲星时稳定度的影响。结果表明脉冲星时稳定度受计时红噪声的影响特征与理论预期一致。同时,我们采用国际脉冲星计时阵第一批发布的数据,研究了各种模型参数改正和噪声改正对脉冲星时稳定度的影响,发现计时模型参数与色散变化的影响要远大于白噪声改正。此外,通过与模拟数据的分析相比较,验证了经过各种改正后真实数据中噪声的复杂性,简单的功率谱模型并不能完全描述残差中的红噪声。

毫秒脉冲星计时和原子时

本文介绍毫秒脉冲星的时间频率和相关物理特征 ,阐述脉冲星计时研究的意义及国际上在脉冲星计时原理、方法和技术研究方面的最新进展。根据近年来对毫秒脉冲星PSR1 937+2 1和 1 85 5 +0 9等计时观测资料分析结果的报道 ,毫秒脉冲星计时精度已达 1× 1 0 - 7s,其自转频率稳定度可以和原子钟相媲美 ,其频率长期稳定度已达 2× 1 0 - 1 4 ( 0 6a≤τ≤ 2 .6a) ,并可望达到更高水平。由综合脉冲星时间算法而得到的毫秒脉冲星时比现代原子时有更高的长期稳定度。文中还对毫秒脉冲星计时中的关键问题作了讨论 ,并对此领域发展的前景给予了展望。

毫秒脉冲星计时方法和实验研究的进展

介绍脉冲星的时间频率特征。阐述了该课题研究的意义 ,国内外毫秒脉冲星计时理论、方法和技术方面的研究进展。分析了我国开展毫秒脉冲星计时研究的可行性、目标及任务 ,并对其中的关键问题给予讨论。最后对该领域的研究发展前景进行展望。

中国的毫秒脉冲星计时观与建议

回顾了国际上脉冲星计时观测研究的进展与成果,评述了中国的毫秒脉冲星计时的学术观和进展,给出了应用小波分析方法在研究时间尺度方面的创新性成果。深思了进行高精度计时需进一步研究的一些问题,并对国际间合作进行脉冲星计时与应用研究的工程问题等提出建议。

脉冲星计时研讨会在临潼举行

毫秒脉冲星时间尺度的观测研究,近年来在国际上发展很快,已成为时间频率领域研究的前沿课题。利用毫秒脉冲星 PSR1937+21计时观测资料可以获得3×10-15的频率稳定度,与地面最好的原子钟水平相当。

脉冲星计时阵列与纳赫兹引力波探测

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在1915年提出广义相对论,并在一年后就预言了引力波的存在.引力波可被看作时空的“涟漪”,几乎不与其他物质相互作用,因此能够在宇宙中自由穿梭.20世纪60年代,作为引力波探测的先行者,约瑟夫·韦伯(Joseph Weber)曾宣称通过共振棒直接探测到了引力波.因为他的实验结果无法被他人重现,因而未被广泛承认.直到2015年9月14日,美国的激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)通过激光干涉的方法,首次直接探测到了引力波[1].

Crab脉冲星标准脉冲轮廓更新对计时精度的改进

对于脉冲星试验01星的两年实测数据,针对蟹状星云脉冲星星历经历了多次更新的特点,提出了更新标准脉冲轮廓进行X射线计时的改进方法。以一系列观测时长为实测数据分组,再采用改进后的方法进行计时分析并与改进前的结果进行对比。通过对比改进前后的计时结果,发现改进方法得到的计时残差的均方根(root mean square, RMS)平均降低了14.2%,定位精度平均提高了14.4%,估计原子钟相对频率偏差的精度平均提高了26.2%,体现了改进方法处理经历多次星历更新的Crab脉冲星观测数据的合理性和优越性。此外,改进方法对脉冲星试验01星两年观测数据的稳定度σ_(z)没有量级上的改进,说明改进方法对Crab脉冲星时间稳定度的影响不大。

基于实测数据的脉冲星时自主保持精度分析

脉冲星钟模型保持方法和脉冲星时自主保持精度是决定脉冲星时应用精度的关键。根据地球时TT发布的特点以及脉冲星自转稳定特点,提出基于滑动累积窗口的脉冲星钟模型保持方法。首先利用IPTA第2批发布的2颗脉冲星观测数据开展钟模型保持精度分析,在13年以上的时间窗口内2颗源的自转频率测量值相对于平均值波动幅度在10^(-13)Hz之内,且随着时间窗口累积增加钟参数测量精度单调提高;其次,利用观测数据分析钟模型在滑动预报下的脉冲星时自主保持精度和稳定度,J0437-4715在13.58年内自主保持的脉冲星时与TT(BIPM15)偏差的RMS(root mean square)为0.454μs,长期(13.58年)稳定度为1.77×10^(-15),J1713+0747在17.46年内保持的脉冲星时与TT(BIPM15)偏差为2.471μs,长期(17.46年)稳定度为6.62×10^(-17),相对于最佳保持脉冲星时的精度分别降低24%和0.16%,但提升了短期(<1年)稳定度,长期稳定度略有恶化。

脉冲星计时数据的天体测量解析

已有的研究表明,通过对毫秒脉冲星脉冲到达观测者的时刻(time of arrival,TOA)的记录和分析,实现航天器的自主定位是可行的.我们对TOA所含成分作了解析,导出和解释了TOA与观测者质心位置间关系的基本方程,并与其他一些作者的结果进行比较和讨论.作者认为,TOA和太阳系质心(SSB)处的脉冲到达时刻无关,和SSB的日心坐标无关,也和SSB处的引力时延无关.因此,不应如Sheikh所做的那样,试图在观测者和SSB之间计算较差到达时刻和较差引力时延.

毫秒脉冲星观测反演台站原子钟行为研究

氢原子钟作为高精度时间和频率系统的核心部件,在射电天文观测、高精度时间计量、空间导航等领域获得广泛应用。尽管氢原子钟具有极高的短期稳定性,但是其长期稳定度会受到各种环境因素的影响。毫秒脉冲星因其超乎寻常的长期稳定自转频率特性被誉为“挂在天上的钟”,在时间保持、深空导航等方面具有重要的潜在应用价值。本文基于上海天马望远镜毫秒脉冲星计时观测资料对有关问题进行了研究,成功反演出台站氢原子钟的历史行为,包括时钟跳跃、换钟等。通过分段拟合其计时残差中偏离白噪声的长期趋势成功获得氢原子钟速。综合考虑上述历史行为后获得了基于该毫秒脉冲星的时钟改正文件,将其用于天马望远镜其他多颗毫秒脉冲星计时分析并取得了非常理想的效果。

X射线脉冲星TOA数量对计时精度和导航的影响分析

针对XPNAV-1卫星发布的Crab脉冲星首批数据,采用Taylor频域相关法得到了脉冲到达时间(TOA)及其对应的测量精度。在此基础上,去掉光子数量过少的第5组数据,得到34组数据的拟合前计时残差的均方根(RMS)约27.1μs,拟合后计时残差RMS约22.5μs。将光子数量最多的第24组观测数据按照不同的光子数量分组,得到了脉冲轮廓信噪比、TOA测量精度及计时残差与光子数量之间的关系。考虑空间飞行器实时定位需求,本文分析了在保障一定信噪比的前提下增加TOA数量对定位精度的影响。将观测数据按20000个光子重新分组,得到了214个TOA,其拟合前计时残差RMS约为61.8μs,拟合后计时残差RMS约61.3μs。这不但大大提高了导航的实时性,而且将定位精度提高了约10%。

XPNAV-1和NICER对Crab脉冲星观测数据的比较分析

通过对比NICER(Neutron Star Interior Composition Explorer)和XPNAV-1(X-ray Pulsar Navigation-1)关于Crab脉冲星同一时段(108天)观测数据的计时处理结果,发现在周期跃变发生前的时段(95天),NICER数据的拟合前计时残差的RMS(root mean square)为5.77μs,远优于XPNAV-1数据的拟合前计时残差的RMS 51.56μs,体现了NICER在有效面积、探测效率、数据采集等方面的优势,给未来我国的X射线脉冲星探测器研制提供了发展方向;而在周期跃变发生后的时段(13天),发现XPNAV-1数据的拟合前计时残差的RMS为55.87μs,而NICER数据的拟合前计时残差的RMS为167.27μs,周期跃变对NICER的影响更大,说明在处理周期跃变发生后时段的NICER数据时,由于NICER的观测精度非常高,需要更频繁地更新Crab星历。最后分别得到了两个探测器整段数据的计时残差。XPNAV-1数据的拟合前计时残差的RMS为55.94μs,而NICER数据的拟合前计时残差的RMS为64.34μs,这说明NICER数据受周期跃变影响更为明显,进一步证明了上述结论。