毫秒脉冲星计时和原子时

　　1　引言

　　脉冲星是一种快速自转并具有强磁场的中子星(磁感应强度B为1~109T),于1967年发现。1982年发现自转周期为毫秒级的脉冲星PSR1937+21(自转周期P为1·56 ms)。迄今已发现的脉冲星约1 000颗(P为1·56 ms~5·1 s),其中毫秒脉冲星约60颗(P为1·56~10 ms)。毫秒脉冲星辐射到天线上的射电流量很弱,约为0·4~60 mJy(500 MHz,1 Jy=10-26W·m-2·Hz-1)[1,2]。毫秒脉冲星计时主要是对旋转周期小于10ms,并具有高精度频率标准源特征,其长期稳定度优于或能与铯原子钟相媲美的那些毫秒脉冲星进行研究。脉冲星时和原子时可以互相比对、检验和并行发展,是改善原子时长期稳定度的重要途径。近20年来,国际上对毫秒脉冲星时和原子时的比较研究所得到的综合脉冲星时间PTe的长期稳定度为2×10-14;毫秒脉冲星的测量精度已达0·1μs,很有希望再提高。随着更多毫秒脉冲星的发现及脉冲星信号接收方法、技术的不断改进和脉冲星计时模型、算法的优化,各种误差源修正水平的提高,脉冲星时的应用将具有更广阔的前景。

　　对于毫秒脉冲星计时,人们最关心的是脉冲星旋转周期重复的均匀性要好。已发现的最稳定的毫秒脉冲星,如PSR1937+21、1855+09、1713+074、1534+12等的周期变化率达10-19~10-21s/s。这样一些毫脉冲星被誉为“自然界最稳定的钟、最精确的频率标准源”[3~7]。毫秒脉冲星时的建立是可能的[3],这是因为某些毫秒脉冲星具有钟的4个基本特征: (1)高精度的频率标准源。周期间隔具有很好的均匀性,脉冲星周期变化率能达10-18~10-21s/s,其周期测量的精度可望优于10-8s。(2)连续、长期、自然地运行,不需对其维修和几年一次更换。寿命达104~106年,而且可靠性高。(3)脉冲星到达时间TOAs和脉冲星时PT均可用高精确的数学解析式表达,具有一般学科应具备的数学描述特征。(4)借助辅助装置使脉冲星时具有计数和显示特征。

　　国际上对毫秒脉冲星计时研究的应用成果说明脉冲星到达时间TOAs不仅对建立脉冲星时是重要的,而且,综合脉冲星时(PTe)和原子时的比对对于评价、检验原子时的长期稳定度有重大作用。其高精度的观测数据对于深空介质对电波传播特性影响的研究、引力波的监测及脉冲星物理、天体测量学等学科的研究均有重要意义。

　　2　脉冲星观测的频谱特征及计时原理

　　2·1　频谱特征

　　由于脉冲星射电辐射到天线上的电流量极弱,所以,观测到的脉冲结果是脉冲星脉冲到达时间(TOAs)累积的轮廓图,即是由成百上千个脉冲叠加而获得的;一般累积时间为2~20分钟。轮廓具有下列观测特征[1~8]:

　　(1)脉冲星脉冲轮廓的角宽度典型值为3°~10°。毫秒脉冲星的脉冲宽度一般都较小,峰较尖锐。脉冲轮廓的角宽度与射电频率相关较小。脉冲宽度与周期之比约为3%左右。