Transcript 脉冲星时间标准及应用研究进展

恭贺王先生九十华诞！
脉冲星时间标准及应用研究进展
杨廷高
中科院国家授时中心
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王先生在“2000年哈纳斯脉冲星观测与研究”
会议文集的序中写到：
“毫秒脉冲星以其极其稳定的脉冲周期（包含极其稳定的
周期变化率改正）可望用于监测(和改正）原子时的长期
稳定度（一个时间基准的长期稳定度是它作为基准的基
本特征）。”
“进行毫秒脉冲星脉冲到达时刻的常规、持续、系统的
多星测量相当于产生一种脉冲星时。当前，建立和不断
改善脉冲星钟的努力正处在一个学科交叉点上：（1）时
间计量学前沿上的交叉：引进脉冲星时，以达到与
原子时同时发展、交叉比对的新格局。”
早在1997年王先生已有这种思想，并提出建立50米射电望远镜，
在国家授时中心开展脉冲星时观测和研究工作。
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脉冲星时间标准研究进展
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90年代后期开始脉冲星计时阵观测
脉冲星计时阵：对选定的一组脉冲星按照既定
观测程序进行长期计时观测
计时阵观测方案根据科学目标设计
脉冲星计时阵是建立脉冲星时间标准和脉冲星
时空参考架的有效观测方法
观测目标包括导航用脉冲星和毫秒脉冲星
导航脉冲星：建立并保持脉冲星时空参考架
毫秒脉冲星：建立并保持脉冲星时间标准
观测方案：观测波段、积分时间、观测周期
应考虑两个以上波段的同时观测等
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目前国际上的脉冲星计时阵项目
 European Pulsar Timing Array (EPTA)
• Radio telescopes at Westerbork, Effelsberg, Nancay, Jodrell Bank, (Cagliari)
• Normally used separately, but can be combined for more sensitivity
• High-quality data (rms residual < 2.5 ms) for 9 millisecond pulsars
 North American pulsar timing array (NANOGrav)
• Data from Arecibo and Green Bank Telescope
• High-quality data for 17 millisecond pulsars
 Parkes Pulsar Timing Array (PPTA)
• Data from Parkes 64m radio telescope in Australia
• High-quality data for 20 millisecond pulsars
三者共观测40颗毫秒脉冲星，其中30颗TOA精度好于1us
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A Pulsar Timing Array (PTA)
• With observations of many pulsars widely distributed on the sky
can in principle detect a stochastic gravitational wave background
• Gravitational waves passing over the pulsars are uncorrelated
• Gravitational waves passing over Earth produce a correlated signal
in the TOA residuals for all pulsars
• Requires observations of ~20 MSPs over 5 – 10 years; could give
the first direct detection of gravitational waves!
• A timing array can detect instabilities in terrestrial time standards
– establish a pulsar timescale
• Can improve knowledge of Solar system properties, e.g. masses
and orbits of outer planets and asteroids
Idea first discussed by Hellings & Downs (1983),
Romani (1989) and Foster & Backer (1990)
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PPTA脉冲星时观测研究成果：
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PPTA脉冲星时观测研究成果：
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TT(BIPM11)-TAI
从1994至2011年TAI漂移达到5us
上图：TT(BIPM11)与TAI差异
下图：拟合并消除二次多项式后的结果
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PPTA脉冲星时研究成果：PPTA11-TAI 和 TT(BIPM2011)-TAI
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初步结论：
脉冲星计时阵观测能够检测到原子时TAI的系统误差，
得到的脉冲星时系统精度可与TT(BIPM2010)相比；
多个脉冲星计时阵的综合可获得更高精度的脉冲星时
系统（共约40颗毫秒脉冲星，30颗精度好于1us)；
未来大设备（FAST、SKA等）观测精度进一步提高，能
观测的毫秒脉冲星数量大大增加（几百颗）；
应用脉冲星能够实现各类空间飞行器自主导航，更适
用于深空探测飞行器自主导航应用。
2012年在北京举行的IAU大会，DIVISION 1 决定并建立
“Pulsar Time Scale”工作组，开展脉冲星时应用研究。
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建议：
未来，脉冲星时的应用将改变国际上时间服务格局；
脉冲星导航成为未来深空飞行器自主导航的发展方
向。
建议从国家需求出发逐步建立我国脉冲星时系统；
目前，FAST和其它射电望远镜建立为我国脉冲星
时及其应用研究奠定了基础；应该继续重视基础设
施建设；
应该深入开展脉冲星时及其应用的研究工作，包
括脉冲星计时观测、脉冲星守时理论方法和脉冲星
导航应用研究等；
加强该领域人才队伍建设。
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导航用脉冲星时空参考架
利用X射线脉冲星脉冲到达航天器时间TOA观测确定航天器相对太
阳系质心的三维坐标
脉冲星导航基本方程（只含一阶项）：
 ~

r  r  r
~


ct b  ct obs  nˆ  r  c   v  nˆ  r  nˆ   r  c   v
~

ct b  ct obs  nˆ  r  nˆ   r  c   v
航天器时间已知，精确定位
航天器位置已知，精确定时
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谢谢！
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