脉冲星时稳定度及可能应用

给出了毫秒脉冲星长期计时观测最新结果和脉冲星时与原子时频率稳定度的比较。指出脉冲星时频率稳定度的提高受到计时观测误差的限制,讨论了提高毫秒脉冲星计时观测精度的方法。随着脉冲星计时阵的实施,脉冲星时的应用已为期不远。可能的应用包括毫秒脉冲星与原子钟结合守时、建立综合脉冲星时和用脉冲星计时阵检测原子时误差等方面。     

脉冲星时间特征和多星计时观测

在评介脉冲星时研究发展趋势的基础上,讨论了基于毫秒脉冲星自转的脉冲星时间的短期特征和长期稳定度,并对影响其稳定度的因素作了初步分析.50m射电望远镜计时观测的目的之一就是综合脉冲星时研究.对于50m望远镜计时观测的选星和由多星观测进行综合脉冲星时研究中的数据分析问题进行了讨论.     

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 15yr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 1yr以上的稳定度明显优于上述两原子时系统。毫秒脉冲星PSR B193T 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旅，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。     

毫秒脉冲星定时研究进展

毫秒脉冲星守时的理论和方法研究己取得重要进展,利用现有2颗毫秒脉冲星约10yr的计时观测资料分析得到的 TAI-PT,其长期稳定度为 2×10－14。采用合适的长期稳定度算法,由多颗毫秒脉冲星计时观测可以建立综合脉冲星时间尺度。它可以成为与原子时系统比较的重要手段,并对原子时长期稳定度的改进做出贡献。介绍了该领域研究的基本状况,重点对毫秒脉冲星守时的理论方法,综合脉冲星时间及与原子时的关系等进行了讨论和评述。对由双星系统内毫秒脉冲星的轨道运动定义的双星脉冲星时也做了介绍。     

经验模态分解方法在脉冲星计时残差分析及预报中的应用

高精度脉冲星计时分析在脉冲星诸多应用领域中占重要地位,而多个未能消除的误差源的存在,限制了脉冲星计时精度的进一步提高.分析其观测特征,这种影响将导致脉冲星计时残差波动的多样性.利用从北美计时阵(NANOGrav)观测的4颗毫秒脉冲星数据,采用经验模态分解(EMD)方法对计时残差的波动特征进行了研究.通过分析发现:计时残差的振荡可用几个内在本征模态函数和一个剩余趋势揭示其多时间尺度的振荡结构和非平稳性.进一步比对脉冲星间多振荡结构对计时残差波动贡献的差异,发现经验模态分解非常有利于寻找脉冲星计时残差数据间的共性及个性.同时,采用自回归滑动平均模型进行残差预报,发现应用经验模态分解方法将残差序列分解后再预报,在短期预报时具有明显的优势.上述结果有利于拓展脉冲星计时残差在时域的分析.     

基于双谱滤波的综合脉冲星时算法研究

毫秒脉冲星的自转频率非常稳定,提供了一种独立的基于遥远自然天体并能持续数百万乃至数十亿年的时间基准,具有稳定性强、运行时间长、服务范围广等特点.为了减弱毫秒脉冲星计时观测中各种高斯噪声对脉冲星时的影响,研究了一种基于双谱滤波的综合脉冲星时构建算法,处理分析了国际脉冲星计时阵(International Pul-sar Timing Array,IPTA)最新发布的4颗毫秒脉冲星(PSR J0437-4715、J0613-0200、J1713+0747和J1909-3744)的观测数据,分析了不同时间尺度综合脉冲星时的稳定性,并与构成国际原子时(International Atomic Time,TAI)的4家授时单位原子钟稳定性进行了比较.结果表明:双谱滤波算法能够较好地抑制观测噪声,提高综合脉冲星时的稳定性.相比于经典加权算法,综合脉冲星时1 yr、10 yr稳定度从7.77×10^-14、8.56×10^-16分别提高到1.50×10^-14、3.50×10^-16,单脉冲星时稳定性的提升也类似.同时发现,综合脉冲星时稳定性在5 yr及以上时间尺度上优于原子钟稳定性,可用于改善当前原子时的长期稳定性.     

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。     

四种综合脉冲星时算法比较

由单颗脉冲星定义的脉冲星时受多种噪声源的影响,其短期和长期稳定度都不够好.为了削弱这些噪声源对单脉冲星时的影响,可以采取合适的算法对多个单脉冲星时进行综合得到综合脉冲星时,从而提高综合脉冲星时的长期稳定度.文中介绍4种综合脉冲星时算法:经典加权算法、小波分析算法、维纳滤波算法和小波域中的维纳滤波算法,将这4种算法分别应用于Arecibo天文台对两颗毫秒脉冲星PSR B1855+09和PSRB1937+21观测得到的计时残差并作出比较.     

脉冲星时间尺度及其TOA预报初步分析

在简述国际天文学会(IAU)定义的几种不同时间尺度的基础上,重点讨论脉冲星计时观测中时间坐标相对论转换问题。脉冲星计时观测资料分析应该参考地球时TT,并将TT转换为质心坐标时TCB或质心力学时TDB。基于IAU重新定义的TDB,讨论和比较了时间坐标转换的解析算法和利用太阳系天体历表的数值积分算法。分析了TCB和TDB对脉冲星自转参数测量的影响。最后,以毫秒脉冲星PSR B1855+09的计时模型为例,初步分析了脉冲星脉冲到达时间的预报问题。     

历表误差对脉冲星计时残差空间相关性影响的研究

在介绍脉冲星计时残差及历表误差影响机制的基础上,给出了由历表误差引起的脉冲星计时残差及其角相关的解析式,基于澳大利亚PPTA(Parkes Pulsar Timing Array)毫秒脉冲星实测计时数据,计算由不同历表如DE(Development Ephemeris)200、DE405和DE421导致的计时残差角相关结果,并在4种脉冲星参数拟合情况下进行了比较和分析,验证了历表误差会导致计时残差角相关结果具有不同程度的偶极效应,发现历表误差引起的太阳系质心(SSB)位置误差是导致脉冲星计时残差角相关偶极效应的主要原因,通过拟合自转参数和天测参数可消除历表误差对计时残差相关性的影响.     

Research on Ensemble Pulsar Time Based on Observed Data

The applications of pulsar timing to several important aspects are introduced and a skeletal definition of the pulsar time scale is given. By taking advantage of the observational timing data of millisecond pulsars obtained at the Parkes Astronomical Observatory, Australia, the ensemble pulsar time based on 4 millisecond pulsars is built up, the comparison of its stability σz, with that of the atomic time is made, and finally a few of important factors which affect the ensemble pulsar time, as well as their influences on the pulsar timing accuracy and application are analyzed.     

A Comparison of the Four Algorithms of Ensemble Pulsar Time

The pulsar time defined by a single pulsar is affected by many kinds of noise sources. Its short-term and long-term degrees of stability are both not good enough. In order to weaken the influence of these noise sources on the single pulsar time, an appropriate algorithm can be adopted to make a synthesis of many single pulsar times, then the ensemble pulsar time is obtained, thereby increasing the long-term degree of stability of the ensemble pulsar time. In this article four kinds of algorithms of the ensemble pulsar time are introduced, i.e., the classical weighting algorithm, wavelet analysis algorithm, Wiener filtering algorithm and Wiener filtering algorithm in wavelet domain. These four algorithms are respectively applied to the timing residuals obtained from the observation of two millisecond pulsars, PSR B1855+09 and PSR B1937+21 made at the Arecibo Astronomical Observatory, and comparisons are carried out.     

The application of co-integration theory in ensemble pulsar timescale algorithm

Employing multiple pulsars and using an appropriate algorithm to establish ensemble pulsar timescale can reduce the influences of various noises on the long-term stability of pulsar timescale, compared to a single pulsar. However, due to the low timing precision and significant red noises of some pulsars,their participation in the construction of ensemble pulsar timescale is often limited. Inspired by the principle of solving non-stationary sequence modeling using co-integration theory, we put forward an algorithm based on co-integration theory to establish an ensemble pulsar timescale. It is found that this algorithm can effectively suppress some noise sources if a co-integration relationship between different pulsar data exists.Different from the classical weighted average algorithm, the co-integration method provides the chance for a pulsar with significant red noises to be included in the establishment of an ensemble pulsar timescale.Based on data from the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves(NANOGrav),we found that the co-integration algorithm can successfully reduce several timing noises and improve the long-term stability of the ensemble pulsar timescale.     

Optimal filters for the construction of the ensemble pulsar time

An algorithm of the ensemble pulsar time based on the optimal Wiener filtration method has been constructed. This algorithm allows the separation of the contributions to the post-fit pulsar timing residuals of the atomic clock and the pulsar itself. Filters were designed using the cross- and auto-covariance functions of the timing residuals. The method has been applied to the timing data of millisecond pulsars PSR B1855+09 and B1937+21 and allowed the filtering out of the atomic-scale component from the pulsar data. Direct comparison of the terrestrial time TT(BIPM06) and the ensemble pulsar time PT_ens revealed that the fractional instability of TT(BIPM06)−PT_ens is equal to  σ _z = (0.8 ± 1.9) × 10⁻¹⁵  . Based on the  σ _z   statistics of TT(BIPM06)−PT_ens, a new limit of the energy density of the gravitational wave background was calculated to be equal to  Ω_g h ²∼ 3 × 10⁻⁹  .     

毫秒脉冲星在时间计量中的可能应用

在分析射电脉冲星的自转和时间尺度的基本特征及其相互之间的关系的基础上，讨论了毫秒脉冲星在时间工作中的可能应用。基于毫秒脉冲星的到达时间的测量，经过必要的时空转换、改正及参数拟合，可以建立脉冲星时及综合脉冲星时。虽然脉冲星时及综合脉冲星时对原子有所依赖，但它们，特别是综合脉冲星时，可以用来将原子时的准确度从一个时段传递到另一个时段，并可用来分析原子时的长期稳定度。另外，可以利用双星脉冲星的轨道运动的相位来定义一种动力学时间尺度－－双星脉冲星时。