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毫秒脉冲星计时分析及时间尺度研究

孙鹏飞  
【摘要】:脉冲星是一类具有超高密度、超强电磁场和超强引力场等极端物理条件的天体。脉冲星自转极其稳定且辐射特征明显的电磁脉冲信号,特别是毫秒脉冲星,其自转周期变化率为10~(-19)~10~(-21)s/s,长期稳定度可达10~(-15),可与当前最稳定的原子钟相媲美,被誉为自然界最精准的天文时钟,因此长期对一组毫秒脉冲星进行高精度计时观测,可构建高稳定的脉冲星时间系统,定义新的时间基准,即脉冲星时。脉冲星时可改变当前时间服务单一依赖原子时的格局,同时可改进原子时间尺度的长期稳定度。基于此,本文主要开展了脉冲星计时及脉冲星时间尺度构建方法的研究。脉冲星高精度计时数据处理是开展脉冲星科学研究和工程应用的重要基础。论文研究了脉冲星计时观测原理和计时模型拟合过程,处理了PPTA(Parkes Pulsar Timing Array)的13年PSR J0437-4715多终端射电观测数据,采用融合处理算法,通过奇异值分解和最小二乘拟合,确定了观测终端间设备时延,并扣除其对参数估计的影响,提高了计时精度,更新了脉冲星计时模型参数,同时分析了不同行星历表和脉冲星参数误差对计时模型拟合的影响。针对计时残差包含相关的计时噪声,研究了Cholesky频谱分析方法。基于PSR J0437-4715实测数据采用Cholesky方法建立一个噪声的解析模型估计计时噪声的频谱,然后通过计时残差协方差白化计时残差,提高了计时精度,获得了脉冲星星历表参数及误差更准确估计,其中位置和自行参数上有了明显提高,赤经和赤纬精度分别提高了45μas、20μas,赤经自行和赤纬自行精度分别提高了0.1μas·yr~(-1)、1.2μas·yr~(-1)。最后,针对以往采用经典加权算法构建综合脉冲星时的不足,研究了一种基于全局最小二乘拟合的综合脉冲星时算法。基于国际脉冲星计时阵IPTA(International Pulsar Timing Array)第二批观测数据中8颗毫秒脉冲星计时数据采用Cholesky方法和贝叶斯估计方法对的噪声模型进行估计,结合全局最小二乘拟合算法,构建一个新的综合脉冲星时间尺度TT(EPT),获得的TT(EPT)表现出与TT(BIPM2016)一样的稳定性,并能够监测TT(TAI)的波动。最后讨论了单颗毫秒脉冲星对综合脉冲星时的影响,发现综合脉冲星时的贡献主要来源于具有长时间跨度和高质量观测的毫秒脉冲星(J1713+0747、J0437-4715、J1909-3744)。


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