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。

Crab脉冲星巨脉冲辐射等待时间分布的非稳态泊松模拟

利用中国科学院新疆天文台南山观测站26m射电望远镜,在中心频率1556MHz,对Crab脉冲星(PSR B0531+21)进行了长达12.6h的连续观测,观测带宽为512MHz,时间分辨率为32μs,研究了巨脉冲辐射的等待时间分布特征.观测共探测到2097个信噪比大于10的巨脉冲,对应的流量密度大于100Jy.巨脉冲的爆发率表现为高度的间歇性,在较短的时间内具有较高的爆发率,在相对长的宁静期内巨脉冲的爆发率较低,尤其是中间脉冲相位内的巨脉冲爆发.相邻两个巨脉冲的等待时间分布表现为幂律分布特征,可以用一个非稳态的泊松过程进行模拟,这表明巨脉冲的爆发是一种独立的随机事件.此外,主脉冲和中间脉冲相位上的巨脉冲具有不同的等待时间分布特征,这意味着脉冲星不同磁极的巨脉冲辐射机制可能是不同的.这些观测结果对于理解脉冲星的射电辐射机制具有重要意义.

基于文献分析脉冲星搜寻及应用研究进展

脉冲星在天体演化、物理学、计时、深空自主导航、引力波探测等领域均有重要的学术和应用价值,脉冲星搜寻及其应用也成为了当前天文界热点研究之一。为了更好地探究脉冲星搜寻及其应用领域的研究现状和未来发展趋势,在Web of Science(WOS)数据库筛选出有关脉冲星搜寻及应用的964篇文献,在阅读核心文献的基础上,采用数据分析和可视化方法进行深入探讨。结果表明,脉冲星搜寻及应用领域的研究经历了初始探索阶段和稳健发展阶段,目前进入蓬勃增长阶段。该领域各国之间密切合作,形成了三大主要的研究群体。脉冲星搜寻及其应用研究在未来将产生如直接探测引力波、深空自主导航等重要科研价值和实际应用结果,将进一步丰富和多元化脉冲星的研究领域。

用脉冲星的脉冲序号复现坐标时方法

为实现包括地球和地球以外的时间统一,需要运用相对时间观的两种时间来替代目前时间计量体系中的标准时间,这两种时间分别是:原时和坐标时,其中坐标时可溯源到脉冲星时间基准上。为构建简单的本地轨道参数历表,阐明分层嵌套的空间包含关系,形成时间相对统一的观点。从计量角度,提出了一种脉冲星复现坐标时的理论,运用相对时间观中的时间和空间不可分割观点,归纳了统一时间的广域坐标系所必须具备的基本特征,强调了原点观者的特殊性,提出了基于原点观者的脉冲星脉冲序号和初始历元的定义方法。首先,把一组脉冲星的脉冲序号约定为坐标时基准,用来复现坐标时,约定一组脉冲星的脉冲周期为固定的常数数组,约定后不再测定,常数的单位仍是国际单位制[秒],常数可理解为脉冲序号的坐标时间隔与[秒]之间换算的系数。然后,基于平面电磁波模型,把脉冲星的脉冲电磁波经过原点的时刻与脉冲序号一一对应,于是原点观者的坐标时与连续的脉冲序号成为线性函数关系,最后,分析了脉冲星稳定特点,给出了以一组序号为变量的脉冲星集合稳定性判据。

基于卡尔曼滤波的综合脉冲星时驾驭原子时算法研究

利用综合脉冲星时(PT)具有较好长期频率稳定度的优点,将原子时驾驭到综合脉冲星时,可以改进其长期频率稳定度水平。文章描述了综合脉冲星时驾驭原子时的卡尔曼滤波方法。以美国海军天文台地方原子时TA(USNO)为例,采用卡尔曼滤波方法将地方原子时驾驭到国际原子时TAI,进而利用综合脉冲星时PT数据将其再驾驭到综合脉冲星时系统,最后得到经过2次频率驾驭后的PT-TA(USNO)钟差序列。考虑到综合脉冲星时PT包含有较大白频噪声,利用滤除其高频噪声后的PT驾驭原子时,能够获得更佳频率驾驭效果,驾驭后的钟差序列长期频率稳定度有明显提高。采用同样算法,将美国国家标准和技术研究院地方原子时TA(NIST)驾驭到TAI,再驾驭到PT,也得到相似结果。

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。

脉冲星与脉冲星计时阵

文章简要介绍脉冲星研究的历史以及利用脉冲星计时阵探测纳赫兹引力波的基本原理。人类正接近打开纳赫兹引力波的天文窗口,有望窥探伴随着星系形成的黑洞并合历史,甚至测量宇宙早期各种相变过程残留至今的引力波。

年轻脉冲星周期-磁场分类及演化

年轻脉冲星多处于超新星遗迹(Supernova Remnant,SNR)中,其分为转动供能脉冲星(Rotation-powered SNR-PSR)、磁星(Magnetar)和中心致密天体(Central Compact Object,CCO),这3类年轻脉冲星有着不同的自旋周期及磁场强度分布.其中,遗迹磁星(SNR-Magnetar)的平均自旋周期比转动供能遗迹脉冲星大近一个量级,平均磁场强度高近两个量级.同时,中心致密天体比转动供能遗迹脉冲星的平均磁场强度低近两个量级.这3类年轻脉冲星不同的物理性质,可能源于其不同的前身星或不同的超新星爆发过程,也可能源于其中子星诞生后的不同演化过程.此外,转动供能遗迹脉冲星比年轻的转动供能非遗迹脉冲星具有更快的平均自旋周期、更大的平均磁场强度和更短的平均特征年龄.这暗示新诞生的中子星经时间约为10^(5)-10^(6)yr的演化过程,其自旋速度将减小近一半,同时其磁场强度也将衰减近一半.

超新星遗迹和脉冲星风云的X射线偏振成像

年轻超新星遗迹和脉冲星风云中的高能粒子可以通过同步辐射产生X射线。对该辐射的偏振测量有助于揭示粒子加速区磁场的性质,进而研究粒子加速的机制。首颗X射线偏振成像卫星于2021年底发射升空,已揭示了数个年轻超新星遗迹和脉冲星风云的X射线偏振图像。观测显示,仙后A和第谷超新星遗迹的偏振度较低,平均值分别约为2.5%和9%;而蟹状星云和船帆脉冲星风云的偏振度较高,平均值分别约为20%和45%。结果表明脉冲星风云的磁场较为有序,而两个年轻超新星遗迹的粒子加速区磁场是高度湍动的,且激波附近的磁场结构呈现径向分布。未来,随着对IXPE的使用越来越广泛,以及与我国建设中的增强型X射线时变与偏振探测器(eXTP)等更多望远镜投入使用,以上两类天体的磁场构型和粒子加速模型将得到进一步的限定。

预训练模型在脉冲星候选体筛选中的应用研究

预训练模型逐渐成为一种工具并应用于各种下游任务。其中,由于各望远镜位置、使用数字后端、处理技术以及周围干扰环境的不同,脉冲星候选体筛选需使用极端不平衡的数据从头训练并设计深度学习模型,存在流程复杂、时效性差、难度大的问题。针对上述问题,基于ImageNet数据集预训练模型,对比分析其在脉冲星数据集的表现,并比较其Precision、Recall、F1-Score。首先,使用LogME方法评估各模型在脉冲星数据集的可迁移性;其次,使用后端融合的方式融合频率-相位图和时间-相位图的2种特征;最后,使用逐层解冻的方式微调对比可迁移性评分高的14个模型。结果表明,预训练方式所需资源少、收敛速度快,能应用于脉冲星筛选任务,在需要更进一步提升模型效果时,也可以考虑这些模型作为基础模块用于提取特征。

脉冲星自旋对Römer延迟修正项的影响

在脉冲双星系统中,Römer延迟修正项是指由于脉冲星的轨道运动,引起脉冲信号到达地球的时间变化。本文中考虑了包含自旋与轨道耦合作用下的二阶后牛顿运动方程,在此基础上推导了新的Römer延迟修正表达式,并给出了自旋对Römer延迟影响的量级分析。新的Römer延迟修正考虑了脉冲星自旋对其轨道运动的影响,这为更高精度的脉冲射电天文观测和引力检验提供了理论基础。

一种快速X射线脉冲星光子到达时间转换的简化模型

高精度X射线光子到达时间转换模型对脉冲星导航的精度至关重要,针对目前完整模型复杂而简化模型精度有限的问题,本文提出了一种精度不低于已有简化模型的快速简化模型.通过对现有完整模型的推导,从理论上分析了各延迟项对模型精度的影响,指出罗曼延迟仍是影响简化模型精度的关键.通过改变罗曼延迟的表达式及其二阶展开方式并考虑物理量的易获取度,得到一种快速简化模型.利用完整模型及所提简化模型对中子星内部组成探测器(Neutron star Interior Composition Explorer,NICER)和慧眼硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope,HXMT)的实测光子数据进行时间转换,分析了所提模型的精度和计算效率;利用数值仿真分析了轨道高度、脉冲星角位置测量误差对简化模型精度的影响,讨论了不同高度地球轨道应用中该简化模型的精度及计算效率.结果表明本文所提简化模型相比Sheikh简化模型和fei模型计算效率分别提高50%和10%,且未造成精度降低.

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。

“中国天眼”发现新脉冲星数量突破900颗

据中国科学院国家天文台4月17日发布的消息,被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)目前已发现超900颗新脉冲星,其中包括至少120颗双星脉冲星、170颗毫秒脉冲星、80颗暗弱的偶发脉冲星。

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。

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。

脉冲星——宇宙中的“灯塔”

脉冲星(Pulsar)是一种奇特的天体,这类星体可以不断地从两磁极区向外发出周期极其稳定的电磁波脉冲信号,于是被命名为脉冲星。脉冲星在长波段的射电、可见光和红外到短波段的紫外、X射线和γ射线等波段都有电磁信号辐射。脉冲星是人类研究各种高能物理现象的天然理想实验室,可以被人类用来探测引力波,当作脉冲星计时器和实现星际导航等,是一种非常重要和有研究价值的天体。文章对脉冲星的特性、发现过程、实际应用等作了科普分析和介绍,为大家了解脉冲星科学知识及实践应用提供参考。

X射线脉冲星计时导航应用模式与空间试验进展

结合国家导航体系发展与工程应用迫切需求,主要讨论了X射线脉冲星计时导航的应用模式,并介绍了国内外空间试验进展。总结了脉冲星计时地基射电与空间X射线观测的特点和发展现状,阐释了脉冲星时研究与发展的重要意义;总结并归纳了X射线脉冲星导航的应用特点和现有水平,讨论了X射线脉冲星导航的技术优势和典型应用场景;总结了国内外X射线脉冲星计时导航的空间试验进展。根据国内外的空间试验结果,脉冲星时稳定度可达10^(-14)量级,脉冲星导航精度可达到km量级,初步具备在轨应用价值。因此,加快推进国内脉冲星计时导航技术的在轨演示验证与工程应用具有重要意义。

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。

面向脉冲星时的原子钟钟差研究

毫秒脉冲星是宇宙中稳定的“天然时钟”。毫秒脉冲星这一特性可用于建立新的时间保持基准,通过协同原子钟的短期稳定性,形成长期稳定的脉冲星时。利用40 m射电望远镜,通过观测若干颗毫秒脉冲星,研究人员开展了脉冲星计时和脉冲星钟方面的研究。目前,已经完成了相关实验平台的搭建、原子钟之间的长期比对和钟差外推等实验,成功地将贝叶斯方法应用于钟差谱估计,初步实现了钟差信号的最优估计和外推。