脉冲星计时模型和自转稳定性研究

论文摘要

脉冲星计时是研究时间科学、中子星物理、星际介质及双星系统等领域的重要手段之一。在天文学上,脉冲星计时观测获得许多重大的科学发现,引力波探测对脉冲星计时精度提出了更高的要求。毫秒脉冲星的自转频率稳定度可达10 ?1 9 10?2 1s/s,被誉为当前自然界最稳定的天文钟。论文对脉冲星计时模型和自转稳定性进行了研究,主要内容包括脉冲星计时的相对论建模、脉冲TOA分析模型以及脉冲星自转稳定度分析等。主要工作如下:1.在讨论脉冲星计时观测的牛顿与相对论理论的基础上,阐述了计时观测的相对论建模过程。2.在考虑太阳及地球二阶后牛顿效应的情况下,推导了地球原时与太阳系坐标时的高精度转换公式,使用脉冲星信号传播的零测地线方程得到脉冲星信号到达时间公式,并讨论各种效应的影响量级。详细分析了脉冲星计时方程与VLBI时延公式的差异。3.分析了脉冲星信号从辐射源至接收机传播全过程的各种计时效应,建立1ns精度的TOA分析模型。使用Tempo2软件对PSR J0437-4715的观测数据进行处理,得到脉冲星计时模型参数,并估计了各种时延效应大小。计时模型的主要误差包括TOA的分析模型误差,星际色散延迟误差,脉冲星自转不稳定等。4.阐述了高精度脉冲星计时的测量模型。介绍了脉冲星计时噪声的估计方法,通过计算得出当前毫秒脉冲星的计时噪声水平影响引力波背景辐射对TOA摄动的发现。论述了TOA摄动中各种计时效应的影响,分析了计时效应中白噪声项对脉冲星计时观测的影响。总结了减弱各种计时效应引起计时观测误差的方法。5.分析得出极其稳定的脉冲星自转频率是脉冲星相关应用（脉冲星导航或授时）的基础。用位置精确测定的且自转频率稳定的脉冲星定义时空基准,可实现更大区域的导航。通过对脉冲星时间尺度预报分析,得出脉冲相位模型在参考历元附近时间预报精度较高,而远离参考历元时,精度会逐渐降低。建议在脉冲星导航及授时中,采用最新的脉冲星计时模型参数。6.分析比较了原子时与脉冲星时的稳定特性。原子时钟稳定性主要受内部噪声的影响,而脉冲星时的最大噪声来源于自转的不稳定性,其稳定度一般使用? z方法估计。研究表明,在较短时间跨度内,原子时稳定度好于脉冲星时,而在长时间尺度（如1年以上）上,脉冲星时间尺度稳定度好于原子时。并且由多个脉冲星时构成的综合脉冲星时可较好地消除共同误差的影响,从而提高了脉冲星时间标准的精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 脉冲星
• 1.2.2 脉冲星计时模型
• 1.2.3 脉冲星自转稳定性
• 1.3 本文主要研究内容和章节安排
• 第二章 脉冲星及计时观测技术
• 2.1 脉冲星及其物理特征
• 2.2 脉冲星观测技术
• 2.2.1 脉冲星的观测技术
• 2.2.2 脉冲星计时观测原理
• 2.3 脉冲星自转周期及演化
• 2.4 脉冲星自转不稳定性的分析
• 2.4.1 脉冲到达时间
• 2.4.2 时间噪声
• 2.4.3 跃变
• 2.4.4 脉冲星自转不稳定性的起源
• 2.5 本章小结
• 第三章 脉冲星计时的相对论基础
• 3.1 广义相对论框架下的时空基准
• 3.2 脉冲星计时观测的相对论理论基础
• 3.2.1 脉冲星计时观测的牛顿理论基础
• 3.2.2 广义相对论的实验基础
• 3.2.3 脉冲星计时观测的相对论理论基础
• 3.3 PPN 坐标系统
• 3.4 脉冲星计时的相对论建模过程
• 3.4.1 脉冲星及观测者的运动方程
• 3.4.2 脉冲星信号的传播方程
• 3.4.3 本征方向
• 3.4.4 本征时间
• 3.5 本章小结
• 第四章 脉冲星计时模型研究
• 4.1 高精度时间尺度转换
• 4.1.1 坐标时与固有时的转换
• 4.1.2 模型的简化及分析
• 4.1.3 常用几种的时间尺度的转换关系
• 4.2 脉冲到达时间方程分析
• 4.2.1 太阳系内脉冲信号的高阶轨迹运动方程
• 4.2.2 计时观测中的时间转换方程
• 4.2.3 与VLBI 时延方程的比较
• 4.3 脉冲双星计时模型
• 4.3.1 脉冲星参考框架的本征时间
• 4.3.2 三种常见的双星模型
• 4.4 计时模型参数的确定
• 4.4.1 脉冲相位模型
• 4.4.2 参数的拟合过程
• 4.4.3 计时模型的参数
• 4.5 高精度的脉冲星计时模型及其精度评定
• 4.5.1 计时模型
• 4.5.2 精度估计
• 4.6 Tempo2 软件对计时数据的处理
• 4.6.1 星历参数对结果的影响
• 4.6.2 各种时延改正
• 4.6.3 小结
• 4.7 计时模型的误差源
• 4.8 本章小结
• 第五章 高精度脉冲星计时的测量
• 5.1 计时噪声
• 5.1.1 计时噪声现象
• 5.1.2 计时噪声的判断和确定
• 5.1.3 PTA 脉冲星的计时噪声估计
• 5.2 TOA 摄动中各种计时效应
• 5.3 脉冲到达时刻分析
• 5.4 计时误差的减缓方法
• 5.5 本章小结
• 第六章 脉冲星自转稳定性分析
• 6.1 脉冲星导航及授时的基本原理
• 6.2 脉冲星用来定义时空基准
• 6.3 脉冲星时间尺度及预报分析
• 6.4 脉冲星时与原子时稳定度对比分析
• 6.4.1 脉冲星时稳定度的估计方法
• 6.4.2 脉冲星时与原子时稳定度分析
• 6.4.3 毫脉冲星计时观测对时间计量影响的一些思考
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 下一步的研究工作
• 附录A 英文缩写
• 附录B PSRJ0437-4715 的参数
• 参考文献
• 攻读硕士期间完成的主要工作
• 一、个人简历
• 二、攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 三、攻读硕士学位期间的科研情况
• 致谢