高精度的脉冲星时间系统的建立与应用

International Atomic Time, or Temps Atomique International (TAI), is the basis for terrestrial time keeping. Atomic time scales continue to improve in accuracy and stability. However, the stability of such time scales over years and decades is hard to maintain and to measure. A post-corrected realization of TT(TAI), created by the Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), is referred to as TT(BIPM). This is believed to be the best available terrestrial time standard. Searching for errors in the world’s best terrestrial time standard requires the use of an independent time standard that has comparable precision and stability. Observations of radio pulsars can be used to create a pulsar-based time standard that can be compared with terrestrial time standards. A large number of MSPs are currently being observed as part of the International Pulsar Timing Array (IPTA) project, which has the primary goal of detecting ultra-low-frequency gravitational waves. We will use a frequentist-based method that directly includes the clock signal as part of the pulsar timing model and carries out a global, least-squares-fit to determine the properties of that signal. Based on IPTA data release 1, we can establish such pulsar-based time standard. The IPTA data release 2 will be released soon, and then we will obtain the pulsar-based time standard with more than 20 years. Moreover, within a few years we expect high precision observations from the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) currently being commissioned in China and the MeerKAT telescope in South Africa. Such precision will be further improved, and we expect to detect the unusual fluctuations of TT(BIPM).

国际原子时TAI是地球时保持的基础，其精度和稳定性在不断提高中，但十年及以上长期稳定性难以监测和保持。国际计量局BIPM事后校准得到的TT(BIPM)被认为是目前国际上最高精度的地球时。而寻找一种独立的、且具有相当精度的时间系统以来监测或验证TAI(TT)或TT(BIPM)的精度或稳定性是非常必要的。辐射非常稳定的毫秒脉冲星(MSP)提供了可能。用以探测引力波研究的国际脉冲星计时阵IPTA项目长期监测一组MSPs，通过对每颗MSP的各类误差分析，基于频率谱分析或者贝叶斯方法，整体法能够获得脉冲星时间系统。基于已公布的ITPA第一批数据可以完成这样的分析，而第二批的数据也将要发布，届时我们能够建立长达20余年的脉冲星时间系统，此外，随着国内FAST以及其他大型射电望远镜的建成，脉冲星计时观测精度将进一步提高，基于脉冲星时间系统，我们有望能检测到最高精度地球时TT(BIPM)的可能异常变化。

国际原子时TAI是地球时保持的基础，其精度和稳定性在不断提高中，而数十年尺度上的长期稳定性难以保持，国际计量局BIPM事后校准的TT（BIPM）被认为是国际上最高精度的地球时。而寻找一种独立的时间系统以监测或验证TT（TAI）或TT（BIPM）尤为重要。本项目基于国际脉冲星计时阵IPTA的高精度计时数据，建立了新的脉冲星时间系统TT（IPTA16）。并且采用两种独立的数学方法，分别是频率法和贝叶斯估计法获得了一致的脉冲星时间系统，该时间系统独立于TAI，并且监测到TT（TAI）的不规则长期波动，与高精度的BIPM事后估计的TT(BIPM17)一致，尤其在配备了双频接收机之后，两者的符合程度可达几十ns。脉冲星时间系统基于脉冲星这类自然天体的计时观测得到，独立于TAI，从外部能够监测和验证TT(TAI)或TT(BIPM)的精度和稳定性。我们通过比对最好的原子时与TT（IPTA16）的功率谱密度表明，脉冲星时间系统的长期稳定性要远好于TAI，并且结合TAI的短期稳定性好的各自优势，为后续开展TAI与脉冲星时间系统的综合时间服务提供可能。并且，随着国内FAST以及南非的MeerKAT的高精度脉冲星计时的观测开展，毫秒脉冲星的计时精度也进一步得到提升，更多的高精度的脉冲星计时数据加入到IPTA中，对我们构建更高精度的脉冲星时间系统提供了有利条件。.构建与维持天球参考系和参考架是天体测量的基本使命，脉冲星高精度的天体测量参数是构成参考架的基本因素。在该工作基础上，基于共同具有计时、VLBI相位参考以及高精度的Gaia观测的多颗毫秒脉冲星数据，在1mas精度上连接了太阳系动力学参考架、ICRF以及光学参考架。并同时解算了太阳系动力学参考架与ICRF的连接参数及其变率，我们发现VLBI与计时得到的自行参数的差异是引起连接参数随时间变化的重要因素，VLBI得到的自行参数精度有待进一步提高。