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.     

依巴谷输入星表和临时星表H37与射电天球参考架之间的旋转参数

通过比较地球定向参数（EOP）序列和对应的地因参考架，得到了依巴谷输入星表（HIC）和临时星表H37与国际地球自转服务（IERS）基于甚长基线干涉测量（VLBI）建立的河外天球参考架（ICRF）之间的旋转参数。在J2000．0历元，HIC和H37至ICRF的旋转分别为[7．4±1．1mas，70．0±1．2mas，86．8±6.9mas]和[－27.4±1.0mas，10.4±1．0mas，70．3±4．6mas]。由于光学仪器位置坐标精度较低，第三个旋转角的可信度较差。     

几何因素对脉冲星自转参数的影响

脉冲星自转参数是脉冲星最重要的参数之一,能反映脉冲星本身的物理性质.根据计时观测所得的自转参数除了包含脉冲星本身固有的部分,还受到几何因素的影响,例如地球自转参数、岁差章动模型、行星历表误差、脉冲星相对于太阳系质心(solar system barycenter,SSB)的速度和加速度.通过分析脉冲星计时观测模型,从而推导出这些因素与脉冲星自转参数的关系,进一步估计了这些因素对自转参数影响的量级大小.在现有的观测精度下,地球自转参数和岁差章动模型的误差对计时观测的影响可忽略,可以认为脉冲星自转参数不受其影响.行星历表误差对自转参数的影响远小于自转参数本身,同样可以忽略.脉冲星相对于太阳系质心的视向速度影响到脉冲星周期,该影响比脉冲星本身周期约小4个量级.值得注意的是,脉冲星横向速度和脉冲星相对于太阳系质心的视向加速度对周期变率的影响不可忽略,特别是对于周期变率较小的毫秒脉冲星来说,这两个因素的影响可能是脉冲星视周期变率中的主要成分.     

利用统计方法判断中天观测数据的参考星表

中天观测数据在建立太阳系高精度行星历表时具有重要作用.在处理由JPL(Jet Propulsion Laboratory)以及IMCCE(Institut De Mecanique Celeste Et De Calcul Des Ephemerides)提供的中天数据时发现,有若干组数据的参考星表没有被明确指出。对于这些信息不完整的数据,无从改正数据由参考星表而引起的系统差。课题研究的主要目的是利用DE421历表确定存在缺陷的这类观测数据的参考星表。通过DE421给出行星在GCRS(Geocentric Celestial Reference System)中的相应位置,并把此位置转换到参考假定的参考星表时行星的理论视位置。通过引入的两个统计量分析原始数据与理论位置的差异显著性,检验假定的数据参考星表是否恰当.结果显示,此方法能够有效区分数据的参考星表,能够确定信息不完整的数据组缺少的参考星表。最后,所有中天数据被转换到GCRS坐标系,以便在历表研制中使用。     

计时观测测量脉冲星参数的数学模型与精度估计

脉冲星计时观测能够精确测量脉冲星自转参数和天体测量参数.概述了脉冲星计时模型和利用最小二乘拟合测量脉冲星各个参数并估计其方差的数学方法.在黄道坐标系导出了脉冲星各个参数误差与计时残差之间关系的数学表达式.给出了脉冲星黄经、黄纬和周年视差测量精度与脉冲星黄纬绝对值之间的关系曲线.讨论了脉冲星各个天体测量参数测量精度与脉冲星纬向参数本身的关系.     

ICRF与Gaia-CRF参考架特性分析

天体测量学是天文学中最古老的分支之一, 它是天文学的基础, 对天体物理学和大地测量学的许多方面至关重要.天体测量学的核心任务之一就是建立一个高精度天文参考系, 以便利用这样的惯性参照系来描述天体的位置和运动、研究银河系的运动学特征及对同一天体在不同波段的对应体进行位置认证和比较.当前的天文参考系是参照银河系外天体(主要是活动星系核)的位置来定义的, 称为国际天球参考系(ICRS).在实测上, 与之相对应的基本星表为国际天球参考架(ICRF), 它由甚长基线干涉测量(VLBI)技术在S/X、K和X/Ka波段的观测资料解算而得, 位置精度达到数十微角秒($\mathrm{\mu as}$)水平.另一方面, Gaia卫星的观测也将在光学波段建立类似精度的光学参考架(Gaia-CRF).ICRF与Gaia-CRF的连接成为天体测量领域需要解决的重大问题之一, 这要求对ICRF与Gaia-CRF参考架特性进行细致深入的分析. 首先, 分析了ICRF的整体特性.VLBI星表的内部符合精度估计值在$\mathrm{10\mu as}$和$\mathrm{40\mu as}$之间, 依赖于射电源的观测次数.这一结果一方面验证了ICRF3星表给出的位置噪声水平, 也说明了VLBI技术在天体测量方面的潜力.利用Gaia的河外源位置为参考, 分析了历代ICRF星表的外部符合精度, 指出ICRF3 X/Ka波段参考架存在约$\mathrm{200\mu as}$的系统误差.最后, 发明了一种评估射电源全天分布均匀性的量化指标并改进了ICRF定义源筛选策略, 结果表明相较于ICRF2而言, 这一方法能将ICRF轴指向稳定性提高2至3倍.这些工作很好地解释并补充了国际上ICRF3工作组的相关结果. 其次, 研究Gaia-CRF的参考架性质.使用了相对于依巴谷参考架的全局旋转和结合银河系动力学分析两种方法来评估Gaia-CRF1的惯性水平, 指出Gaia-CRF1可能存在约$\mathrm{0.3mas\cdot yr^{-1}}$的剩余旋转.对于Gaia-CRF2, 研究了其系统精度与河外源样本极限星等的依赖关系, 发现Gaia-CRF2的整体精度几乎不受星等差的影响.这一结果可作为未来ICRF与Gaia-CRF连接源选择的参考. 活动星系核的光学-射电位置差是影响参考架连接精度的重要因素之一.本文首次将光学-射电位置差研究延伸到K和Ka波段, 并研究其与河外源性质参数的相关性, 发现: 光学-射电位置差与星等的相关性是由于星等差而非真实的物理原因造成的, 因此在前人工作中被忽略的暗源也有可能作为ICRF与Gaia-CRF连接源.此外, 本文提出了一种新的参考架连接方法, 即在Gaia-CRF2框架下重新处理VLBI的历史观测资料.先期结果发现使用Gaia-CRF2来替代ICRF3尚不足以显著提高VLBI产品的精度, 但未来在Gaia-CRF参考架精度进一步提高后, 此方法仍值得进一步检验. 本文的研究, 一方面指出了ICRF与Gaia-CRF参考架中可能存在的种种问题, 另一方面也为将来光学与射电参考架连接提供了第一手的参考资料.     

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。     

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。     

基于X射线脉冲星的航天器自主导航算法分析

脉冲星自转非常稳定,可以用作时间标准,许多脉冲星的空间位置、自行、距离、自转周期及其导数等天体测量参数和天体物理参数都能被精确测定.由于脉冲星能够同时提供时间信号和空间位置坐标,安装在航天器上的脉冲星导航系统能够实现航天器的自主导航.首先根据航天器轨道动力学方程预测航天器的位置,再通过航天器上观测的脉冲到达时间和预报的脉冲到达时间之差,应用Kalman滤波计算航天器位置估计的误差,从而对航天器的位置进行修正.最后,分析初始误差、脉冲到达时间测量精度、脉冲星个数对导航精度的影响.     

特殊类型脉冲星的研究进展

脉冲星是演化末期的大质量恒星经过核坍缩形成的产物,它们在天体物理学、粒子物理学和卫星导航等方面具有重要的应用。自脉冲星发现50年来,其观测和理论研究取得了巨大进展。脉冲星主要在射电波段被探测到,部分脉冲星也有X射线和γ射线等波段的辐射,它们的信息非常丰富。根据其不同的观测特征可以把脉冲星分为多种类型。主要对射电、X射线以及γ射线波段的特殊类型脉冲星,包括旋转射电暂现源、间歇脉冲星、态转换X射线脉冲星、磁星、暗X射线孤立中子星、中心致密天体以及γ射线脉冲星的基本性质及其研究进展进行综述。     

毫秒脉冲星PSR J1022+1001轮廓稳定性的研究

脉冲星具有非常稳定的累积脉冲轮廓,特别是毫秒脉冲星.前人研究发现一些脉冲星的累积脉冲轮廓会呈现出不稳定性.研究了毫秒脉冲星PSR J1022+1001累积脉冲轮廓的稳定性问题,该脉冲轮廓有两个峰,发现其峰值比随时间有明显的变化.通过分析,认为该毫秒脉冲星累积脉冲轮廓的不稳定性主要是由于脉冲轮廓随观测频率变化,同时星际闪烁造成不同频率上流量密度变化.研究还发现,也有少部分累积脉冲轮廓的变化可能是脉冲星内禀或其他因素所引起的.     

脉冲星钟模型精度分析

毫秒脉冲星具有很高的自转稳定性,利用脉冲星自转极其稳定的特性可以开展许多应用研究,如:脉冲星时间标准的建立、宇宙背景引力波的探测、X射线脉冲星导航应用等等.利用国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)中J0437-4715和J1713+0743 2颗源的实测数据开展脉冲星钟模型参数精度分析和脉冲到达时间(Time Of Arrival,TOA)预报精度研究.通过研究得知,目前脉冲星自转频率测量精度为10-15Hz,频率1阶导数测量精度为10~(-23)s~(-2),且自转参数测量精度随观测时间跨度每4–5 yr提高1个量级.另外,利用J0437-4715 10 yr观测数据建立的钟模型,其脉冲到达时间预报偏差4.8 yr之内可保持在1μs之内.因此,利用该脉冲星建立时间标准用于校准原子时,可以使原子时相对于地球时(Terrestrial Time,TT)的偏差在4.8 yr之内小于1μs.     

小质量裸奇异星的r模不稳定性研究

在修正袋模型参数所允许的范围内构建奇异星模型,研究了小质量裸奇异星的r模不稳定窗口.结果表明随着星体质量的减小,r模不稳定性所约束的奇异星极限旋转频率增大;根据参数选取的不同,质量在约0.1～0.2 M⊙以下的裸奇异星都可以解释观测到的转速最快的716 Hz脉冲星数据.     

双星观测量计算方法的改进及应用

双星轨道拟合是基本天文研究领域的重要内容,其给出的动力学质量、轨道参数具有重要的应用价值.前者是恒星系统动力学研究和恒星物理演化研究必不可少的参量,后者则对提高亮星星表参考架的参考星数密度具有重要意义.但是,该项研究此前普遍采用了一些近似,如切平面的变化与空间的透视效应均被忽略.对上百个含亮子星的双星系统而言,这些近似引起观测量计算的偏差已经超过了当前的观测误差(1 mas).我们以牛顿二体模型为基础,用严格的立体几何关系改进了观测量的计算方法,通过仿真和观测数据验证了方法改进的有效性.拟合的结果表明,模型参数的拟合值和子星的观测量预报均有显著的改进.因此,对于双星,尤其是太阳系邻近的远距双星,改进观测量计算方法是必须的.     

利用Halo轨道仿真开展嫦娥四号中继星与月面设备干涉基线的研究

初步建立了嫦娥四号中继星的晕轨道(Halo轨道)数值模型,将其应用于空间低频射电天文观测的干涉测量仿真,以地月拉格朗日平动点L2区域的Halo轨道为基础,以发布的嫦娥四号中继星理论轨道为参考,校准和调整模型参数,通过时间和空间参考系统的变换,把轨道数据转换到L2点旋转坐标系.然后对比Halo轨道模型与理论轨道数据之间的...     

地球同步卫星的VLBI观测

介绍了差分VLBI技术确定空间飞行器位置的原理。在上海、乌鲁木齐和昆明站开展了对地球同步卫星的首次国内差分VLBI观测 ,实验中选择 3颗角距小于 15°的ICRF射电源作为参考源 ,克服了卫星观测的特殊性带来的困难 ,成功地获得了卫星信号的干涉条纹。基于条纹拟合的结果和系统差分析 ,估计双差单向测距的总误差约为 4 1cm ,双差单向测速的总误差约为 0 .14 8mm/s,相当于在地球同步轨道上 8m的位置误差和 2 .8mm/s的速度误差     

IERS1996规范在参考系方面的改进

对ＩＥＲＳ１９９６规范中有关参考系方面作了简单而系统的介绍，重点叙述了与ＩＥＲＳ１９９２标准相比ＩＥＲＳ１９９６规范在参考系方面的主要改进：天球参考架中的基本源从５７颗增加到２３６颗；动力学参考架采用ＪＰＬ ＤＥ４０３／ＬＥ４０３历表代替ＤＥ２００／ＬＥ２００历表；采用ＮＵＶＥＬ ＮＮＲ－１Ａ板块运动模型代替ＮＵＶＥＬ ＮＮＲ－１模型；变更了９个基本常数值；给出了天极坐标的观测和理论间差的经验模型     

基于泊松模型的X射线脉冲星信号的最大似然TOA估计

讨论了X射线脉冲星光子到达的周期平稳Poisson模型和到达时刻(Time of arrival,TOA)估计问题.在此基础上,得到了脉冲到达时刻的最大似然估计和克拉美-罗限(Cramer-Rao boundary,CRB),并推导了低信噪比情况下的似然函数近似表达和克拉美-罗限.利用解析的脉冲轮廓,对PSR B1821-24的TOA估计进行了Monte Carlo仿真,讨论了不同观测时间和信噪比下的估计误差,给出了相应的信噪比门限.研究表明:该分析方法能够有效估计X射线脉冲星的TOA定时精度,有利于评估其在各种应用中的性能.     

脉冲星的一种分类方法及辐射部位的统计研究

本文对83颗脉冲星进行了分类统计研究。主要结果如下: 1.采用转动能损失率与射电光度的比值作为分类参数可以较好地反映不同类型脉冲星的物理特性和演化方式。 2.由于各类脉冲星的射电光度和光速圆柱附近的磁能之间都有着相关系数较高的回归关系,而射电光度和表面磁能之间却不相关,由此推论脉冲星辐射部位很可能在光速圆柱附近。 3.在周期变率户和周期P的关系图上,光速圆柱附近的“缠绕”磁能PP-4的某一临界值可作为射电辐射的截止线,它比Lyne等提出的光速圆柱处的磁能户PP~(-5)作为射电辐射截止线更接近观测事实。     

太阳系行星和月球历表的发展

简述目前太阳系行星和月球历表编制和发布概况,以满足科学研究需求。介绍几个世纪以来在行星和月球历书(也包括几万年长历书)编制过程中采用的3种方法:分析和半分析、数值积分和频谱分析方法,以及历表给出的格式和精度估计。描述当前常用的3个系列现代高精度行星和月球历表:DE、EPM和INPOP历表的共同特征,如行星相互作用的动力学方程、观测资料(光学和射电)的作用,及其不同点。介绍中等精度长间距历书编制情况,其有助于研究地球轨道偏心率、岁差和黄赤交角与古气候、古地质、古天象研究的关系;特别给出在几百万年历书编算中,长期岁差推算的变化。最后,介绍我国开展此项工作的情况,并提出开展此工作的几点建议。