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。     

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.     

基于实测数据的综合脉冲星时研究

介绍了脉冲星计时在几个重要方面的应用,给出了脉冲星时间尺度的简要定义.基于澳大利亚PARKES天文台的毫秒脉冲星实测计时数据,建立了基于4颗毫秒脉冲星的综合脉冲星时,并将其稳定度σz与原子时进行比较,最后分析了影响综合脉冲星时的几个重要因素及其对脉冲星计时精度的影响与应用.     

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。     

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.     

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.     

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(PFens)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。     

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。     

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.     

Analysis of the Precision of Pulsar Time Clock Modeltwo

Millisecond pulsars have a very high rotation stability, which can be applied to many research fields, such as the establishment of the pulsar time standard, the detection of gravitational wave, the spacecraft navigation by using X-ray pulsars and so on. In this paper, we employ two millisecond pulsars PSR J0437-4715 and J1713+0743, which are observed by the International Pulsar Timing Array (IPTA), to analyze the precision of pulsar clock parameter and the prediction accuracy of pulse time of arrival (TOA). It is found that the uncertainty of spin frequency is 10^?15 Hz, the uncertainty of the first derivative of spin frequency is 10^?23 s^?2, and the precision of measured rotational parameters increases by one order of magnitude with the accumulated observational data every 4～5 years. In addition, the errors of TOAs within 4.8 yr which are predicted by the clock model established by the 10 yr data of J0437-4715 are less than 1 μs. Therefore, one can use the pulsar time standard to calibrate the atomic clock, and make the atomic time deviate from the TT (Terrestrial Time) less than 1 μs within 4.8 yr.     

脉冲星对氢原子钟的频率驾驭算法研究

氢原子钟具有较高的短期稳定度,将其作为主钟可在短期内产生高精度的本地时间信号.但氢钟存在频率漂移现象,导致其长期稳定度较差,从而影响本地时间的准确性.毫秒脉冲星自转高度稳定,借助于其长期稳定度高的特性,可定期实现对氢原子钟的频率驾驭,并对实时信号加以控制.首先分析了国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)第二批发布数据中四颗毫秒脉冲星的稳定度随时间的变化,同时采用哈达玛方差分析了中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)一台氢钟的频率稳定性能,最终给出了利用脉冲星驾驭氢原子钟频率的方法.     

Millisecond pulsars

In 1982 we discovered a pulsar with the phenomenal rotation rate of 642 Hz, 20 times faster than the spin rate of the Crab pulsar. The absence of supernova debris in the vicinity of the pulsar at any wavelength indicates an age of the neutron star greater than 10⁵ yr. The miniscule spindown rate of 1.1 × 10^-19 confirms the old age and indicates a surface magnetic field of 10⁹ G. A second millisecond pulsar was discovered by Boriakoff, Buccheri & Fauci (1983) in a 120-day orbit. These fast pulsars may have been spun-up by mass transfer in a close binary evolutionary stage. Arrival-time observations of the 642-Hz pulsar display remarkably low residuals over the first 14 months. The stability implied by these observations, 3 × 10^-14, suggests that millisecond pulsars will provide the most accurate basis for terrestrial dynamical time. If so, the pulsar data will lead to improvements in the planetary ephemeris and to new searches for light-year scale gravitational waves. Many new searches for fast pulsars are under way since previous sky surveys excluded pulsars with spins above 60 Hz.