脉冲星时间噪声研究

The origin of pulsar timing noise has been an unsolved problem since 1980. It is of importance not only in pulsar research, as a field of pure science; but also in the fields utilizing pulsar timing such as test of fundamental physics and navigation of spacecraft. The most important behavior of timing noise is the quasi-periodicity. I proposed that such quasi-periodicity originates in the additional time delay induced by long-term effect of an unseen binary system. In 2006-2012, we have simulated both the quasi-periodic timing noise and pulse profile variation in several pulsars. This model naturally reporoduces quasi-periodic timing noise. The predicted orbital periods of these pulsars are of 5-40 minutes. Considering the existence of the ultracompact binary white dwarf of orbital period of 5.4 minute, HM Cancri, this range of orbital periods of binary pulsars is not strange. Therefore, our future research mainly consists two aspects. Firstly, perform more systematic and detailed study on our model. Secondly, apply continuous single pulse observations covering several orbital periods on a number of candidates on Parkes and Areicbo telescope, in order to test the binary nature of the predicted pulsars directly. The experiment accumulated in this research will enable us to perform similar research on telescopes already built, under construction as well as to be built, e.g., Shanghai 65m, FAST.

自1980年被发现以来脉冲星时间噪声一直是一个未解决的问题。该问题不仅在纯科学的层面，也在利用脉冲星到达时间检验基本物理及脉冲星导航方面有重要意义。时间噪声最重要的特征是其准周期性。我2005年提出准周期性源自脉冲星在其隐藏伴星的长期相作用下的附加时间延迟。以这个自然的准周期模型,我们2006-2012年拟合了数个脉冲星的时间噪声和脉冲轮廓的准周期性变化。我们预期的轨道周期一般为10-40分钟，考虑白矮星双星系统HM Cancri 的5.4分钟的轨道周期，脉冲双星的这个轨道周期范围并不奇怪。我们将要进行的研究分为两个方面。一是对我们的模型进行更加系统细致的研究;二是申请Parkes和Arecibo观测时间对一批候选源进行覆盖数个轨道周期的单脉冲观测，以直接检验这些源的双星特性。该项研究也将为我国已建在建和将建的望远镜,如上海65米,FAST等上进行相应的观测积累经验。

我们研究项目的核心是探索脉冲星时间噪声的物理机制。针对一颗被认为是单个脉冲星的PSR B0919+06，我们先以双星系统的轨道自旋耦合效应来拟合其准周期性时间噪声。模型预期该脉冲星可能是轨道周期为15分钟的双星。为检验双星预言，我们申请并获得了305米射电望远镜Arecibo的2个多小时的单脉冲观测来检验预期的轨道调制。我们原计划一次模拟一次观测可以解决问题。但是单脉冲观测得到的结果显示出尖锐的准周期性时间移动。考虑这样的致密双星系统上起潮力将会扰乱正常的轨道调制。我们结合天体力学的摄动理论与脉冲星到达时间模型得到了起潮力作用下的双星轨道调制的数值结果，成功重现了PSR B0919+06 单脉冲观测的主要特征（包括类似地-月系统的半月潮特征）。再进一步，为检验我们预期的PSR B0919+06 的白矮星伴星是否存在，我们申请并获得了西班牙4.2米WHT光学望远镜的观测来认证伴星的光学对应体。由于这颗脉冲星的自行较大，其长基线观测，脉冲星timing观测，X-射线观测， 以及我们的光学观测给出的位置尚有2角秒的误差，我们目前还不能完全肯定已经找到预期白矮星的光学对应体。在本基金支持下我们4年来的艰苦努力进行了两种模拟和两钟观测超出了我们之前的预期。我们的研究工作开辟了一条脉冲星时间噪声研究的新路，不仅提出了新的时间噪声起源模型， 而且提供了一种新的致密双星的搜寻方法。 找到新的致密双星不仅作为引力波源对引力波研究有重要意义， 还为检验强引力场下的基本物理提供了实验室。 在应用层面，模拟并扣除时间噪声对脉冲星导航，脉冲星时间标准也有重要意义。另外我们还利用我国天马65米射电望远镜和FAST对该脉冲星进行了观测， 有望在我国的大型天文仪器上做出有特色的研究工作。