[00138249]毫秒脉冲星时间尺度在引力波探测中的应用

脉冲星是一种快速旋转的中子星,其强磁场将带电粒子加速形成电磁波束。电磁波束随中子星旋转,扫过地球时形成我们观测到的电磁脉冲信号。由于脉冲星的半径大约10 km,而质量大约是太阳的1.4倍,这使得他们很难被加速或减速,于是脉冲星的自转周期非常稳定,故而我们观测到的脉冲周期也非常稳定。自转周期为毫秒量级的脉冲星叫做毫秒脉冲星,由于其脉冲非常窄,更易于精确测量。毫秒脉冲星自转周期的变化率一般小于1E-20,被誉为自然界中最稳定的时钟。由于脉冲星向外辐射电磁波而损失能量,导致其自转变慢,周期变长。通过测量脉冲星的周期及其一阶导数,可以建立高精度的脉冲星钟模型,从而建立脉冲星时间尺度。而多颗高精度的毫秒脉冲星可以建立稳定性更高的综合脉冲星时[6]。脉冲星的自转周期及其一阶导数,脉冲星的位置、自行、视差等可以通过拟合脉冲星脉冲到达时间（TOA）序列得到,这也是脉冲星计时过程。脉冲星脉冲从发射到在地球上接收的过程中会受到很多因素影响,包括物理因素和几何因素。物理因素包括：脉冲星内部物理过程产生的自转不规则性、星际介质色散、Shapiro延迟、爱因斯坦延迟、双星轨道、引力波等。几何因素包括：Roemer延迟、视差延迟、太阳系星系历表误差等。以上这些因素中有些已经认识的很清楚了,纳入到了计时模型中,而有些则还不太清楚,比如自转不稳定的红噪声和引力波。引力波是影响脉冲星脉冲到达时间的物理因素之一。如果同时观测多颗毫秒脉冲星,则引力波引起的计时残差具有四极相关性,因此可以利用合适的数据处理方法提取出四极相关信号,达到脉冲星计时阵（PTA）探测引力波的目的。脉冲星计时阵探测引力波的频段为1E-9-1E-7 Hz。宇宙中引力波源有很多,例如致密双星的绕转,非轴对称中子星的自转,双黑洞的并合,超新星的爆发,宇宙中的残余引力波等。而在脉冲星计时阵探测的频段,主要有超大质量双黑洞的绕转和及其产生的随机背景引力波和宇宙原初引力波。原初引力波又叫残余引力波,产生于早期宇宙暴涨时期。双黑洞的绕转产生的引力波信号是一种持续的周期性信号。如果双星绕转是圆轨道,则信号是正弦形式的;而如果是一般的椭圆轨道,则信号形式依赖于轨道偏心率,但也具有周期性或准周期性。这里说的准周期性是考虑到双黑洞的演化。宇宙中多个超大质量双黑洞系统可产生一种随机引力波背景,而残余引力波也是一种随机背景,但二者功率谱谱指数不同。于是,如果信噪比足够高,则可以通过脉冲星的计时观测数据得到引力波波形及功率谱,进而获知其引力波源的信息。例如,通过引力波波形,可以确定双黑洞轨道的偏心率、倾角等信息。另一方面,通过对残余引力波的探测,可以获取宇宙极早期（复合时期之前） 的信息,而这是电磁波观测无法做到的。在广义相对论框架下,不同的暴涨模型会产生不同波谱的引力波背景,而这些暴涨过程产生的引力波经过再加热过程,辐射为主时期, 物质为主时期以及目前的加速膨胀时期,形成了现在的残余引力波。而这中间发生的物理过程,如中微子的散射、宇宙相变、正负电子对湮灭,宇宙磁场的产生等等,都在残余引力波谱上留下了印记。因此, 残余引力波是我们认识极早期宇宙的一个有力工具,甚至是认识宇宙极早期的唯一窗口。残余引力波为脉冲星计时观测和宇宙学研究架起一座桥梁,同时这也足以体现脉冲星计时应用之广泛。 本项目完成的内容主要包括以下几个方面： 1. 利用脉冲星计时阵PPTA、EPTA和NANOGrav的观测以及未来的SKA的理论探测灵敏度,对描述宇宙残余引力波和宇宙极早期物理过程的一些参数作了限制。具体包括：宇宙暴涨指数、再加热膨胀指数和倍数、引起密度扰动的标量－张量比等等,并找出了各参数之间的关系。在慢滚暴涨模型下,我们得到了标量场幂律模型的幂指数与宇宙暴涨指数、宇宙再加热膨胀指数、标量－张量比等参数的关系。因此通过对脉冲星的观测可以认识某些发生在宇宙极早期的物理过程。 2. 从更一般的情况出发,我们讨论了单一非演化椭圆轨道的超大质量双黑洞产生的引力波如何影响脉冲星计时残差,并给出了解析表达式。同时,计算了均方根计时残差随各个参数的变化规律。为单引力波源的探测提高了理论模型。 3. 分析了脉冲星计时模型中的各类误差来源, 并估计了各类误差的大小,同时也提出了减小或消除误差的方法。 系统地研究了脉冲星自转不稳定引起的计时噪声,将其模型参数化,理论计算的结果与观测结果比较吻合。利用该计时噪声模型计算了 165 颗毫秒脉冲星 5 年和 10 年的计时噪声。 根据以上研究内容,发表5篇SCI论文和一篇中文核心期刊。