利用PSR J0437-47l5研究引力常数变化率和台站时钟跳变

论文摘要

脉冲星由于其高致密度而与引力物理紧密联系在一起,而其稳定的自转周期则与时间标准密切相关。PSR J0437-4715是目前自转最稳定的毫秒脉冲星之一,也是目前测时精度最高的脉冲星。它处在一个双星系统中,其伴星是一颗白矮星。本文详细介绍了利用云南天文台昆明40米射电望远镜对PSR J037-4715的观测开展的研究。具体工作包括以下两个部分。1.通过VLBI观测,寻找并得到两颗PSR J037-4715的同波束参考源,从而有望在未来采用VLBI的方法,得到其10 μas精度的视差。这将是对PSR J0437-4715最精确的视差测量,相比于现有测量精度,提高了 5倍。利用PSR J0437-4715精确的视差距离,结合它的动力学距离,可以给出更精确的引力常数相对变化率G/G的上限。G/G蕴含着重要的宇宙学、引力物理甚至所有有关基本物理常数的信息。通过脉冲星的动力学距离和不受引力影响的视差距离之间的差,可以得到G的变化率的上限。基于这一方法和PSR J0437-4715,Deller等人在2008年,通过测时数据和VLBI视差测量给出了[G/G]max=（-5±26）×10-12yr-1。在他们的工作中,由于VLBI位置参考源与PSR J037-4715相距较远（约2°）,其视差测量误差为50 μas。我们通过重新处理公开VLBI数据库中的数据,在VLA阵列1996年的数据中,找到两颗离PSRJ0437-4715不到1角分的射电源。为确认它们是合适的位置参考源,我们利用澳大利亚VLBI网（LBA）和昆明40米望远镜的联合观测,对它们进行了高分辨率的探测,并得到:（1）在高分辨率下可探测到;（2）结构致密;（3）亮温度下限在107K。另外,结合ATCA以往的多历元数据、VLA的数据,我们得到:（4）它们在20多年的时间跨度中一直可探测;（5）光变指数小于0.15;（6）射电谱较平。进一步的,我们查询了同视场其他波段的数据,没有在这两颗源的对应位置发现它们。最后,我们得出它们最大可能性是河外活动星系的致密核。其位置、流量稳定,是理想的位置参考源。2.利用昆明40米望远镜对PSR J0437-4715的测时观测,结合其他脉冲星的测时数据,测得昆明40米观测系统的时钟跳变,利用测时误差为～600 μs的数据,我们的钟跳测量误差在80 ns,该精度已经可与商用时间传递精度相比拟。同时,这一方法给出了台站时钟的最低阶波动,为建立脉冲星时间标准做了初步工作。脉冲星测时是利用脉冲星的稳定性的重要手段。几乎所有的物理信息都可以在测时残差里面找到痕迹。精确的测时需要观测系统有稳定而且连续的时间参考,也就是台站时钟。但就长期来讲,台站时钟系统通常会因为各种影响而发生异常,对这些异常的处理是精确测时的必要条件。而这些异常中最明显的是时钟跳变。因为时钟跳变的信息会直接反映到脉冲星测时残差中,所以理论上可以采用测时残差反过来估算钟跳。我们利用统计信号处理算法来利用PSR J0437-4715结合其他脉冲星的数据,测量本地原子钟跳变的问题。基于贝叶斯框架,我们发展了相关算法。为了在计算资源受限的环境中使用本方法,我们采取解析计算的途径来边沿化不相关的参数。特别的,我们发现常用的脉冲星计时系统差的“Efac”参数可以解析边沿化。在这一过程中,高斯似然函数约化为Student t-统计分布。我们还发展了一套迭代方法来求解文中得到的隐式最大似然估计方程,用以得到最后的钟跳值和相应误差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 脉冲星与引力理论
•   1.1 脉冲星
•   1.2 脉冲星的射电观测
•   1.3 脉冲星与引力物理
•   1.4 本文内容概览
• 第2章 利用脉冲双星的距离测量G/G的上限
•   2.1 脉冲星的距离测量
•     2.1.1 由脉冲星测时（Timing）测量脉冲星距离
•     2.1.2 射电干涉仪测量脉冲星视差
•     2.1.3 其他测量方法
•   2.2 利用脉冲双星的距离限制G/G
•   2.3 小结
• 第3章 脉冲星的VLBI观测
•   3.1 综合孔径技术与VLBI
•     3.1.1 发展历史简介
•     3.1.2 VLBI的基本原理
•   3.2 VLBI数据处理
•     3.2.1 数据编辑与校准
•     3.2.2 脉冲星VLBI观测:消色散与脉冲门
•     3.2.3 成像和去卷积（Deconvolution）
•     3.2.4 闭合量与自校准
•   3.3 小结
• 第4章 利用PSR J0437-4715研究G/G和时钟跳变
•   4.1 PSR J0437-4715与关于它的研究
•   4.2 PSR J0437-4715的两颗同波束参考源的发现与证认
•     4.2.1 观测与数据处理
•     4.2.2 结果与分析
•     4.2.3 R1和R2的性质讨论
•     4.2.4 利用同波束参考源进行10μas精度的视差测量
•   4.3 利用昆明40米PSR J0437-4715的测时数据测量时钟跳变
•     4.3.1 脉冲星观测系统
•     4.3.2 观测与数据处理
•     4.3.3 台站时频系统与脉冲星测时
•   4.4 小结与讨论
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李志玄

导师: 王建成,汪敏

关键词: 甚长基线干涉仪,脉冲星测时,引力常数变化率,台站时钟跳变

来源: 中国科学院大学(中国科学院云南天文台)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 中国科学院大学(中国科学院云南天文台)

基金: 国家973计划2015CB857101,国家自然科学基金U15311243,中国科学院B类战略性先导科技专项XDB23010200

分类号: P131

DOI: 10.27614/d.cnki.gkytw.2019.000025

总页数: 121

文件大小: 9061K

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