利用毫秒脉冲星测时探测宇宙残余引力波和研究基于脉冲星的时间尺度

Millisecond pulsars are very accurate ''clocks'' in the universe. The precision of millisecond pulsar timng can be as high as 100 nanosecond. There are many applications for millisecond pulsar timing. Two main applications will be studied for this project. First, in principle, the technique known as using pulsar timing can be used to directly detect gravitational waves. Supermassive binary blackholes and relic gravitional waves are main sources of gravitational wave. We care about how to detect cosmic relic gravitational waves by millisecond pulsar timing array. We first research every theory models of relic gravitational waves. Then using the pulsar timing data, we can give the uplimit of the strength of relic gravitatioanal waves, discuss whether we can direct detect gravitational waves and give the restrict of many inflation models. Second, whether millisecond pulsars can be a time scale independent from atom clock is a very important research topic. At beginning, we will use millisecond pulsar timing data to research the long term stabilities of pulsar time scale. Then we will find a method to research the feasibility of independent pulsar-based time scale, and discuss the limit and applications of the pulsar-based time scale.

毫秒脉冲星是宇宙中非常精确且稳定的天然时钟，测时精度可以达到100纳秒量级。如此精准的毫秒脉冲星测时有着广泛的应用。本项目研究其中两个重要应用。第一，对天空中的多颗脉冲星（毫秒脉冲星阵）进行长期测时，原理上可以直接探测到超低频引力波。超大质量双黑洞及宇宙暴涨时期产生的残余引力波是其中主要的两种引力波源。本项目着眼于毫秒脉冲星测时阵在探测宇宙残余引力波中的应用。我们首先研究残余引力波的各种理论模型，并且利用的毫秒脉冲星测时阵的观测数据，给出对残余引力波模型的限制，讨论是否能探测到残余引力波，进而给出对宇宙暴涨模型的限制。第二，精准的毫秒脉冲星是否能作为不依赖于原子钟的时间尺度是个非常重要的研究课题。本项目将利用毫秒脉冲星的测时数据首先研究脉冲星时间尺度的长期稳定性问题，然后提出研究方法探寻毫秒脉冲星作为独立的时间尺度的可能性，进而讨论基于脉冲星的时间尺度的限制及其应用。

利用多颗毫秒脉冲星组成的脉冲星测时阵进行引力波探测及相关问题的研究是目前天体物理学中的重要课题之一。毫秒脉冲星是精确且稳定的天然时钟，测时精度可以达到100纳秒的量级，如此精准的毫秒脉冲星测时有着广泛的应用。目前国际上主要有三个测时阵课题组，包括澳大利亚的帕克斯脉冲星测时阵项目（PPTA），欧洲脉冲星测时阵项目（EPTA）和北美的纳赫兹引力波天文台项目（Nanograv）。本项目主要与PPTA项目组及国内专家合作，首先研究了毫秒脉冲星测时阵在探测宇宙残余引力波中的应用，给出对残余引力波模型的限制，并且预言了我国的FAST和国际的SKA项目将来能够很好地给出暴胀宇宙模型参数的限制。然后研究了基于脉冲星的时间尺度，该时间尺度的精度可与国际原子时（TAI）媲美。我们的一系列脉冲星提供了一个类似于自由原子时标（EAL）的综合脉冲星时（EPS）。EPS可用于检测原子时标的波动，讨论了导致脉冲星计时残差的各种现象，因此给出了脉冲星时标稳定性的限制。本项目还做了许多其他脉冲星相关工作，如脉冲星轮廓核成分与锥成分的宽度研究，脉冲星辐射束半径与周期关系的研究，脉冲星做星际飞船导航，脉冲星长期闪烁的研究等，成果丰富。