[論文レビュー] A Cosmic Census of Radio Pulsars with the SKA

E. F. Keane, Bhaswati Bhattacharyya+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、広視野、高感度、高度なバックエンド処理を活用することで、電波パルサーの全般的な全量調査が、エーゲン・スケール・アレイ（SKA）によって可能になると提唱している。SKA1とSKA2が10,000個を超えるパルサーを発見し、既知のパルサー集団を著しく拡大する。また、リアルタイムのフォローアップタイミングにより、一般相対性理論の検証、中性子星内部構造の解明、パルサーチャンリングアレイによるナノヘルツ重力波の検出という画期的な成果が得られる。

ABSTRACT

The Square Kilometre Array (SKA) will make ground breaking discoveries in pulsar science. In this chapter we outline the SKA surveys for new pulsars, as well as how we will perform the necessary follow-up timing observations. The SKA's wide field-of-view, high sensitivity, multi-beaming and sub-arraying capabilities, coupled with advanced pulsar search backends, will result in the discovery of a large population of pulsars. These will enable the SKA's pulsar science goals (tests of General Relativity with pulsar binary systems, investigating black hole theorems with pulsar-black hole binaries, and direct detection of gravitational waves in a pulsar timing array). Using SKA1-MID and SKA1-LOW we will survey the Milky Way to unprecedented depth, increasing the number of known pulsars by more than an order of magnitude. SKA2 will potentially find all the Galactic radio-emitting pulsars in the SKA sky which are beamed in our direction. This will give a clear picture of the birth properties of pulsars and of the gravitational potential, magnetic field structure and interstellar matter content of the Galaxy. Targeted searches will enable detection of exotic systems, such as the ~1000 pulsars we infer to be closely orbiting Sgr A*, the supermassive black hole in the Galactic Centre. In addition, the SKA's sensitivity will be sufficient to detect pulsars in local group galaxies. To derive the spin characteristics of the discoveries we will perform live searches, and use sub-arraying and dynamic scheduling to time pulsars as soon as they are discovered, while simultaneously continuing survey observations. The large projected number of discoveries suggests that we will uncover currently unknown rare systems that can be exploited to push the boundaries of our understanding of astrophysics and provide tools for testing physics, as has been done by the pulsar community in the past.

研究の動機と目的

• SKAの類いまれな感度と調査能力を活用して、のちに検出可能な銀河系および近隣銀河の電波パルサーの完全な全量調査を実現すること。
• パルサーチャンリングアレイ（PTA）による低周波数重力波検出に使用するため、大量のミリ秒パルサー（MSP）を発見・測定すること。
• Sgr A*の周囲で密な軌道を回る、あるいは連星・三重系の構成をとるような、奇妙なパルサー系を特定・特徴付け、強力場重力の検証を可能にすること。
• X線およびガンマ線パルサー対応体の高精度タイミングエフェマリデスを提供することで、マルチウェーブ長天文学を支援すること。
• タイミングコherーに保ち、新規パルサー発見から最大の科学的価値を引き出すために、フォローアップタイミングのサイクルとスケジューリング戦略を最適化すること。

提案手法

• 銀河系およびローカルグループ銀河の広域調査を、SKA1-MIDおよびSKA1-LOWを用いて複数の周波数帯で実施する。
• サブアレイリングと動的スケジューリングを用いて、即時のリアルタイムパルサー探索を実施し、発見直後に直ちにフォローアップタイミングを開始する。
• 分散測定、周期、加速度の探索を含む、広大なパrameter空間をカバーできる高度なパルサー探索バックエンドを適用する。
• 高サイクル、長期にわたるタイミングキャンペーンを実施し、連星系や奇妙な系におけるタイミングの不規則性、グルーブ、軌道パラメータを解明する。
• PTA作業のため、赤ノイズが少なく長期的なタイミングコherーに優れた安定なMSPを特定する。
• 電波タイミングデータをマルチウェーブ長観測と統合し、距離推定値の改善と放射メカニズムの制約を図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAは、のちに検出可能な銀河系内の電波放射パルサーを何個検出するか？そのうち何割がミリ秒パルサーとなるか？
• RQ2 Sgr A*の周囲で密な軌道を回るパルサーは予想される数がいくつで、SKAの調査でどのように検出可能となるか？
• RQ3 SKAの感度と調査戦略は、パルサーチャンリングアレイによる重力波検出をどのように可能にするか？
• RQ4 パルサー-ブラックホール連星や三重系のような奇妙な系のタイミングコherーを維持するには、どのタイミングサイクルと観測戦略が必要か？
• RQ5 リアルタイムフォローアップと動的スケジューリングは、新規に発見されたパルサーから最大の科学的帰結を得るためにどのように最適化されるか？

主な発見

• SKAは、のちに検出可能な銀河系電波パルサーの既知の集団を10倍以上に拡大すると予想され、10,000個を超える新規源を発見する可能性がある。
• SKA2は、地球に向かって放射している銀河系電波パルサーをすべて検出する可能性があり、パルサー誕生の性質や銀河系磁場構造の完全な全量調査が可能になる。
• SKAは、ローカルグループ銀河内のパルサーを検出でき、それらを銀間媒体のプローブおよび重力波検出の対象候補として利用できる。
• SKAは、Sgr A*の周囲で近接軌道を回るパルサーを約1,000個発見し、一般相対性理論の強力場テストに貴重な機会を提供する。
• リアルタイムのサブアレイリングと動的スケジューリングにより、新規パルサーの即時のフォローアップタイミングが可能となり、タイミングコherーが保たれ、迅速な科学的帰結が得られる。
• 長期にわたる高サイクルのタイミングキャンペーン（1日から1か月のサイクル、短周期連星では全軌道サンプリングを含む）は、ポストニュートン効果や重力波信号の検出に不可欠である。