毫秒脉冲星计时和原子时
脉冲星的科学意义
脉冲星的科学意义脉冲星是宇宙中天然的极端物理实验室，超强引力场为广义相对论和引力波的检验提供了独特场所。
脉冲星的理论和观测研究对推动天文、天体物理、核物理、粒子物理、等离子体物理、广义相对论和引力波等领域的发展都有着非常重要的意义。
我国500米口径球面射电望远镜的建成为新型和奇特脉冲星的自主观测和发现提供了契机。
以下是小编为你整理的脉冲星的科学意义，希望能帮到你。
脉冲星的重大发现世界上公认的脉冲星发现者是贝尔女士(J. Bell)，当时她是英国剑桥大学的博士研究生。
1967年夏天，在无意搜索射电望远镜天线的数据带时，她注意到奇怪的周期信号——每隔1.33秒一次流量变化，后经仔细认证，认定这是天体信号，来自后被称为“脉冲星”的天体，即物理学家曾经预言的超级致密的中子星[1]。
经过50年的研究，已知道脉冲星是一种极端致密的天体，由8~25倍太阳质量的恒星演化到末期发生的超新星爆发而形成，中心物质大约为一个太阳质量，物质密度是1014~1015克·厘米-3，相当于水密度的千万亿倍。
脉冲星的辐射来自其强大磁场的极冠区，每当中子星极冠转到地球视线方向，就会发出信号。
中子星半径约在10 千米，自旋很快，其中射电脉冲星旋转周期在1.4 毫秒~8.5秒之间。
中子星的物质结构由内向外可以分为内核、外核、内壳层、外壳层、大气层。
内核厚度为几千米，密度大于1014克·厘米-3，主要成分尚未明确。
外核是包含中子、质子、电子的混合物，内壳层主要物质为电子、自由中子和原子核，外壳层约为几百米，从大气层底部延伸到密度约为1011克·厘米-3的位置，其主要成分是离子和电子。
最外部大气层很薄，为几厘米，这是脉冲星电磁辐射和热辐射的主要区域。
天文学家可通过射电、光学、X射线、γ射线等波段的望远镜探测脉冲星。
目前观测发现了2700颗脉冲星，其中大部分是孤立的，仅有200多颗存在于双星系统中。
脉冲星种类繁多，根据辐射能段的不同分为射电脉冲星、X射线脉冲星和γ射线脉冲星等;根据有无伴星可以分为脉冲星双星和孤立脉冲星;根据演化历史和自转周期的大小，可以分为常规脉冲星和毫秒脉冲星;根据供能机制的不同可以分为旋转供能脉冲星、吸积供能脉冲星、热供能脉冲星、磁供能脉冲星、核供能脉冲星等。
PSR J1016-5857的周期跃变分析
PSR J1016-5857的周期跃变分析周世奇;张洁;袁建平;冯中文;唐棋;朱晓丹【摘要】利用澳大利亚的64 m帕克斯射电望远镜对PSR J1016-5857长达8.84 yr的计时数据,采用脉冲星计时方法,通过国际公认的tempo2模型拟合程序来分析,结果表明PSR J1016-5857发生了两次大幅度的周期跃变:2009年7月18日(MJD_55030.13)发生了一次周期跃变,周期跃变的大小为Δv g/v～1912.5(2)×10-9并伴随着τd～21.2 d的指数恢复过程,恢复系数Q～0.022和2013年8月29日(MJD_56533)发生了一次Δv g/v～1460(2)×10-9的周期跃变.同时结合PSR J1016-5857发生的三次周期跃变事件,计算中子星外壳中的所含中子超流的转动惯量与整颗星转动惯量之比I n/I～1.92％,验证了超流涡丝模型理论.【期刊名称】《西华师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)001【总页数】4页(P78-81)【关键词】脉冲星;脉冲星计时;周期跃变;J1016-5857【作者】周世奇;张洁;袁建平;冯中文;唐棋;朱晓丹【作者单位】西华师范大学物理与空间科学学院,四川南充 637009;中国科学院新疆天文台,新疆乌鲁木齐 830001;中国科学院大学天文与空间科学学院,北京100049;西华师范大学物理与空间科学学院,四川南充 637009;中国科学院新疆天文台,新疆乌鲁木齐 830001;西华师范大学物理与空间科学学院,四川南充637009;西华师范大学物理与空间科学学院,四川南充 637009;西华师范大学物理与空间科学学院,四川南充 637009【正文语种】中文【中图分类】P161.10 引言脉冲星是一种自转快而稳定的中子星。
理论认为脉冲星的自转会损失自转能，逐渐导致自转减慢。
长时间的计时观测发现脉冲星的自转减慢率dP/dt通常在10-13～10-20 s.s-1之间[1]，因此认为脉冲星的自转仍然是相当稳定的。
脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法
脉冲星测量技术用于深空探测 器自主导航的原理及方法
1/76
脉冲星的发现
2/76
脉冲星机制
当一颗恒星变成超新星时，经过激烈变化后，留下满天膨胀的气体和微 小物质，余下的核心直径只有几十到十几公里。超新星的内爆非常强烈，恒 星原子里的质子和电子被紧紧地压缩 在一起，抵消了它们的电荷，形成 中子。这种中子星可以达到水密度 的1014倍，有着极强的磁场，可以 非常快速地旋转。因为磁轴不与旋 转轴重合，二者一般具有一定的 夹角，当脉冲星高速旋转时，辐 射束将沿着磁场两极方向被抛出 ，随着脉冲星的自转，该辐射束 周期性扫过探测器的视界，形成 脉冲。
11/76
脉冲星导航技术研究历程
12/76
研究历程
a) 脉冲星导航思想的萌芽阶段 1. 脉冲星导航思想最早于 20 世纪 70 年代提出。 2. 1971 年，Reichley，Downs 和Morris 首次描述了把射电脉冲星作为时钟的思 想。 3. 1974 年，Downs 在文献《Interplanetary Navigation Using Pulsation Radio Source》中提出一种基于射电脉冲星信号进行行星际导航的思想，标志着脉 冲星导航思想的初步形成。但由于脉冲星的射电信号强度较弱，宇宙中的射 电信号噪声强度大，导航中需要至少 25m 口径的天线接收信号，因此该方法 很难在工程中实现。 4. 20 世纪 70 年代后期，天文观测在 X 射线波段能量范围 1~20keV、频率范围 2.5×1017 ~ 4.8×1017Hz的进展，促进了对 X 射线脉冲星特性的研究。 5. 1980 年 Downs 和 Reichley 提出测量脉冲星脉冲到达时间的技术。 1981 年 Chester 和Butman 在国际上第一次正式提出利用 X 射线脉冲星进行航天器导 航的思想。
宇宙中最精确的时钟：毫秒脉冲星的发现历程
宇宙中最精确的时钟：毫秒脉冲星的发现历程/邮件群发中子星物质的密度十分惊人，仅仅大约一汤匙的中子星物质，其质量就将超过1万亿公斤，这几乎相当于地球上所有人类体重的总和脉冲星属于中子星的一类，它们是大质量恒星死亡之后留下的残骸在此之前，库卡尼刚刚发现了自己的第一颗脉冲星，这颗脉冲星的自转速度极快——大约每1.5毫秒就自转一周，这在当时比任何已知的天体自转还要快上大约20倍。
这一年，库卡尼还只是一名研究生，在他的脑海里，这样高速的自转除了有些令人惊讶之外并没有其他特别的意义。
他想，这只是一颗自转有些快的脉冲星而已。
他打电话给自己的项目导师，已故的加州大学伯克利分校著名天文学家唐·贝克(Don Backer)并报告了相关情况。
多年之后，他回忆起当时通话时的情景：“那是一段漫长的沉默。
”或许是因为贝克教授意识到了这条消息背后的重大意义。
很快，贝克教授提醒库卡尼他眼前的这项发现所隐含的意义：这是一个正以每秒641圈的速度高速旋转的天体。
今天的库卡尼已经是美国加州理工学院的一名天文学家，他说：“当时有很多人认为在这样的高速旋转下，脉冲星应该会分崩离析。
”库卡尼发现的脉冲星PSR B1937+21一直保持着自转速度最快天体的记录直到2006年。
就在这一年，杰森·赫塞尔斯发现了一颗编号为Terzan 5ad的脉冲星，这是一颗非常暗弱的脉冲星，但其自转速度高达每秒716圈美国天体物理学家罗素·哈尔斯。
他与另一位美国科学家约瑟夫·泰勒一起，在1974年发现了一对正在相互绕转并逐渐彼此接近的脉冲星脉冲星很小，直径一般和一座小型城市相当(大约20公里左右)，而当时的一般观点认为，如果它的自转达到这样的高速，那么强大的离心力将会把它自己撕成碎片。
但此次库卡尼的发现用事实打破了这种预言。
这项发现将不仅改变库卡尼的职业生涯，也将彻底改变整个脉冲星科学研究领域。
这颗脉冲星编号为PSR B1937+21，它成为了一类最新划出的类型——毫秒脉冲星中的第一颗成员。
原子钟的基本原理及应用
原子钟的基本原理及应用1.原子钟的概念原子钟，是一种利用原子、分子能级差为基准信号来校准晶体振荡器或激光器频率，以使其输出标准频率信号的一种装置。
它利用原子能级跃迁产生的光信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振或激光器频率的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，这种输出频率可以用来精确计量时间。
根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。
因为特定原子能级之间的能极差是很稳定的，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平。
2.几种常见的原子钟随着物理学技术的发展，特别是与原子钟技术有关的原子、分子和光学物理方面的进步，极大地促进了原子钟技术的发展，人们研制出了不同种类的原子钟。
现代原子钟所采用的许多技术都与脉泽、激光以及后来的激光光谱学新领域的发展密不可分。
这些技术的发展导致原子和离子的激光冷却和囚禁技术的产生，很多新型原子钟也应运而生。
2.1冷原子喷泉钟冷原子喷泉钟主要有铯原子喷泉钟和铷原子喷泉钟两种，它们的工作原理相同，结构也大同小异。
喷泉原子钟工作时，冷原子云在电磁场以及重力的作用下沿喷泉管上下运动，以完成原子能级变化的检测，就像喷泉一样，所以取了一个形象的名字—喷泉钟。
2.2原子光钟原子光钟是一种作为参考标准的原子能级跃迁频率处于光频波段的原子钟。
原子光钟的工作原理与微波原子钟相似，除了跃迁频段不同之外，其频率发生器是稳频激光器而不是微波原子钟的晶体振荡器。
原子光钟用稳频激光器的脉冲去探测被激光冷却的工作物质（原子或离子），激励被冷却的工作物质发生跃迁，使用一个声光调制器（AOM）调节探测激光的频率，使它接近原子的共振频率，跃迁信息通过光电倍增管来检测，以原子跃迁产生的信号作为参考信号，并通过声光调制器和伺服系统调制探测激光的频率，使其锁定到原子的共振中心频率。
因为光频率比微波频率高大约5个量级，激光冷却可以把元素样品冷却到μK 量级的低温，从而使谱线具有很高的Q值，所以原子光钟可以达到很高的准确度和稳定度，频率稳定度可以达到10-17甚至10-18量级。
目前国际上的脉冲星计时阵项目EuropeanPulsarTimingArrayEPTA
6
目前国际上的脉冲星计时阵项目
European Pulsar Timing Array (EPTA)
• Radio telescopes at Westerbork, Effelsberg, Nancay, Jodrell Bank, (Cagliari)
三者共观测40颗毫秒脉冲星，其中30颗TOA精度好于1us
7
A Pulsar Timing Array (PTA)
• With observations of many pulsars widely distributed on the sky can in principle detect a stochastic gravitational wave background • Gravitational waves passing over the pulsars are uncorrelated
Idea first discussed by Hellings & Downs (1983), Romani (1989) and Foster & ：
9
10
PPTA脉冲星时观测研究成果：
11
TT(BIPM11)-TAI
从1994至2011年TAI漂移达到5us
15
导航用脉冲星时空参考架
利用X射线脉冲星脉冲到达航天器时间TOA观测确定航天器相对太 阳系质心的三维坐标
恭贺王先生九十华诞！
脉冲星时间标准及应用研究进展
杨廷高
中科院国家授时中心
毫秒脉冲星
毫秒脉冲星millisecond pulsar 毫秒脉冲星天文学术语。
每秒旋转上百次的脉冲星，通常有一颗正常的伴星，并从伴星得到物质。
中文名毫秒脉冲星外文名millisecond pulsar属性天文学术语曾被称为反覆脉冲星1基本信息2速度限制1基本信息毫秒脉冲星(MSP），曾经被称为"反覆脉冲星"，是自转周期在1-10毫秒范围内的脉冲星，他目前仅能在微波或X射线的电磁波频谱的波段上被观察到。
毫秒脉冲星的起源依然有些神秘，主导的理论认为它们原本是周期较长的脉冲星，经由吸积的延长或回复。
基于这个理由，低质量X射线双星系特别受到关注，它们被认为是正在回复过程中的脉冲星。
像这一类散发出X射线的脉冲星被认为是正在被加速的阶段，活跃性正在增加中。
它们可能是正在吸收由伴星的洛希瓣溢出的角动量，使自转的速度增加至每秒钟数百转，而被加速的中子星。
已经被加速了的毫秒脉冲星，散发出的电磁波频谱是在长波长的部分。
许多毫秒脉冲星是在球状星团内被发现的，因为在这些系统内极端高的恒星密度有利于创造能引起双星之间质量交换的环境，让自转的中子星经由交互作用降低周期成为毫秒脉冲星。
目前在球状星团内发现的毫秒脉冲星大约有130颗，单单在Terzan 5中就有33颗，然后是杜鹃座47有22颗，M28和M15各有8颗。
2速度限制第一颗毫秒脉冲星，PSR B1937+21，在1982年被发现，转速为每秒641转，它的辐射落在无线电的波段上，但他拥有转速最快中子星的头衔只有大约180天。
在2005年发现的PSR J1748-2446ad，是迄今(2006年)所知，转速最快的中子星，每秒钟转716次。
以目前中子星结构和演变的理论，预言脉冲星旋转速度的极限如下：它们的自转不能超过每秒1,500转，超过了可能会分裂开来；另外，在达到这种高速自转之前，会辐射出重力波，在被进一步加速前抑制转速的提高。
实际上，转速似乎已经被抑制在每秒1,000转之内(对应于周期1毫秒的时间)。
脉冲星
科技名词定义中文名称：脉冲星英文名称：pulsar定义：有107—109T强磁场的快速自转中子星。
发射规则的毫秒至百秒级的短周期脉冲辐射是其基本特征。
以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布求助编辑百科名片拖长尾巴的脉冲星脉冲星，就是变星的一种。
脉冲星是在1967年首次被发现的。
当时，还是一名女研究生的贝尔，发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波。
经过仔细分析，科学家认为这是一种未知的天体。
因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号，人们就把它命名为脉冲星。
中文名：脉冲星拼音：mai chong xing实质：变星的一种发现时间：1967年名称由来：不断地发出电磁脉冲信号目录定义脉冲星发射射电脉冲特性脉冲原因发现15岁女生发现新脉冲星特征毫秒脉冲星著名的脉冲星有关故事发现脉冲星最愚蠢的一脚摇摆舞行星脉冲双星双脉冲星脉冲双星与双脉冲星中学生发现脉冲星研究对人类的意义脉冲星发现者同名电影基本信息剧情简介同名游戏基本信息游戏简介展开定义脉冲星发射射电脉冲特性脉冲原因发现15岁女生发现新脉冲星特征毫秒脉冲星著名的脉冲星有关故事发现脉冲星最愚蠢的一脚摇摆舞行星脉冲双星双脉冲星脉冲双星与双脉冲星中学生发现脉冲星研究对人类的意义脉冲星发现者同名电影基本信息剧情简介同名游戏基本信息游戏简介展开编辑本段定义脉冲星（Pulsar），又称波霎，是中子星的一种，为会周期性发射脉冲信号的星体，直径大多为20千米左右，自转极快。
脉冲星脉冲星-内部结构模型图人们最早认为恒星是永远不变的。
而大多数恒星的变化过程是如此的漫长，人们也根本觉察不到。
然而，并不是所有的恒星都那么平静。
后来人们发现，有些恒星也很“调皮”，变化多端。
于是，就给那些喜欢变化的恒星起了个专门的名字，叫“变星”。
脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。
一开始，人们对此很困惑，甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。
据说，第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Abstract : In this paper , the characteristic of time and frequency and physics of millisec2 ond pulsars , and the significance of study , as well as the recent progress of millisecond pulsars timing theory and techniques in the world are described. The new results show that the preci2 sion for the timing observations of PSR1937 + 21 and PSR1855 + 09 millisecond pulsars is of the order of 1 ×10 - 7 s , and the stability of rotation of millisecond pulsars may rival that of the atomic clocks : the relative frequency stability for the averaging times is of order 2 ×10 - 14 (016 a ≤τ≤2. 6 a) , and might reach a higher level than that . An ensemble pulsar time can be de2 duced through a long2term stability algorithm , and it is shown that applying this algorithm to pulsar timing data , the pulsar time could become more stable than present atomic time , for av2 eraging times of a few years. The key and difficult problems of pulsars study and the prospects for application of pulsar time in the future are also presented in this paper.
摘要 : 本文介绍毫秒脉冲星的时间频率和相关物理特征 ,阐述脉冲星计时研究的意义及国际 上在脉冲星计时原理 、方法和技术研究方面的最新进展 。根据近年来对毫秒脉冲星 PSR1937 + 21 和 1855 + 09 等计时观测资料分析结果的报道 ,毫秒脉冲星计时精度已达 1 ×10 - 7 s ,其自转频率稳 定度可以和原子钟相媲美 ,其频率长期稳定度已达 2 ×10 - 14 (016 a ≤τ≤2. 6 a) ,并可望达到更高水 平 。由综合脉冲星时间算法而得到的毫秒脉冲星时比现代原子时有更高的长期稳定度 。文中还 对毫秒脉冲星计时中的关键问题作了讨论 ,并对此领域发展的前景给予了展望 。
t0 )
+
1 2
Ω(
t
-
t0 ) 2 +
1 6Ω¨(t-来自t0) 3 +
…
(1)
式中 : <0 是脉冲初相位 ,Ω 是旋转频率 ,Ω、Ω¨为
旋转变慢率 。旋转频率与脉冲周期相关 ,即 Ω =
第 22 卷 第 4 期
倪广仁等 : 毫秒脉冲星计时和原子时
309
脉冲星约60颗 ( P 为 1156～10 ms) 。毫秒脉冲星 辐射到天线上的射电流量很弱 ,约为 014～60 mJy (500 MHz ,1 Jy = 10 - 26 W·m - 2 ·Hz - 1 ) [1 ,2] 。
毫秒脉冲星计时主要是对旋转周期小于 10 ms ,并具有高精度频率标准源特征 ,其长期稳定 度优于或能与铯原子钟相媲美的那些毫秒脉冲星 进行研究 。脉冲星时和原子时可以互相比对 、检 验和并行发展 ,是改善原子时长期稳定度的重要 途径 。近 20 年来 ,国际上对毫秒脉冲星时和原子 时的比较研究所得到的综合脉冲星时间 PTe 的长 期稳定度为 2 ×10 - 14 ;毫秒脉冲星的测量精度已 达 011 μs ,很有希望再提高 。随着更多毫秒脉冲 星的发现及脉冲星信号接收方法 、技术的不断改 进和脉冲星计时模型 、算法的优化 ,各种误差源修 正水平的提高 ,脉冲星时的应用将具有更广阔的 前景 。
由于脉冲星通过磁偶极等机制辐射要损失能
量 ,所以 ,毫秒脉冲星自转周期实际上随时间是极 缓慢变化 (即周期加长 ,频率降低) 。脉冲星 TOA 测量的精度依赖于特殊的仪器设备 、脉冲形状和
高的信噪比等 。根据时间相位的幂序列能给出独
立的中子星计时的最简单的旋转模型[9] :
<( t)
= <0 + Ω( t -
2 脉冲星观测的频谱特征及 计时原理
211 频谱特征
由于脉 冲 星 射 电 辐 射 到 天 线 上 的 电 流 量 极 弱 ,所以 ,观测到的脉冲结果是脉冲星脉冲到达时 间 ( TOAs) 累积的轮廓图 ,即是由成百上千个脉冲
叠加而获得的 ;一般累积时间为 2～20 分钟 。轮 廓具有下列观测特征[1～8] :
关键词 : 毫秒脉冲星 ; 脉冲星计时 ; 时间频率 ; 天体测量 中图分类号 :P 14516 文献标识码 :A
The Timing of Milliseco nd Pulsars and Ato mic Time
NI Guang2ren , YANG Ting2gao
(Shaanxi Astronomical Observatory , Chinese Academy of Science , Lintong 710600 , China)
收稿日期 : 2000 - 09 - 14 ; 修回日期 : 2001 - 03 - 26 基金项目 : 中国科学院天文委基金 (960306)
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
对于毫秒脉冲星计时 ,人们最关心的是脉冲 星旋转周期重复的均匀性要好 。已发现的最稳定 的毫秒脉冲星 ,如 PSR1937 + 21 、1855 + 09 、1713 + 074 、1534 + 12 等的周期变化率达 10 - 19 ～10 - 21 sΠ s 。这样 一 些 毫 脉 冲 星 被 誉 为“自 然 界 最 稳 定 的 钟 、最精确的频率标准源”[3～7] 。毫秒脉冲星时的 建立是可能的[3] ,这是因为某些毫秒脉冲星具有 钟的 4 个基本特征 : (1) 高精度的频率标准源 。 周期间隔具有很好的均匀性 ,脉冲星周期变化率 能达 10 - 18 ～10 - 21 sΠs ,其周期测量的精度可望优 于 10 - 8 s 。(2) 连续 、长期 、自然地运行 ,不需对其 维修和几年一次更换 。寿命达 104 ～106 年 ,而且 可靠性高 。(3) 脉冲星到达时间 TOAs 和脉冲星时 PT 均可用高精确的数学解析式表达 ,具有一般学 科应具备的数学描述特征 。(4) 借助辅助装置使 脉冲星时具有计数和显示特征 。
国际上对毫秒脉冲星计时研究的应用成果说 明脉冲星到达时间 TOAs 不仅对建立脉冲星时是 重要的 ,而且 ,综合脉冲星时 ( PTe ) 和原子时的比 对对于评价 、检验原子时的长期稳定度有重大作 用 。其高精度的观测数据对于深空介质对电波传 播特性影响的研究 、引力波的监测及脉冲星物理 、 天体测量学等学科的研究均有重要意义 。
Key words : Millisecond pulsars ; Pulsar timing ; Time and frequency ; Astrometry