[論文レビュー] Characterization of Pulsar Sources for X-ray Navigation

Paul S. Ray, K. S. Wood+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2017

Geophysics and Sensor Technology参考文献 3被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、国際宇宙ステーション（ISS）のNICER搭載のSEXTANTミッションを対象として、宇宙船航行に用いるX線パルサーの特性を評価している。タイミングノイズ、分散測定値（DM）の変動、赤色ノイズの分析を通じて、パルスの到着時刻の予測精度を評価し、ミリ秒パルサーが数か月にわたり1マイクロ秒未満の精度で安定した航行を可能にすると示している。一方、クイック・パルサー（Crabパルサー）は高い不安定性のため、頻繁な更新が必要である。

ABSTRACT

The Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT) is a technology demonstration enhancement to the Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) mission, which is scheduled to launch in 2017 and will be hosted as an externally attached payload on the International Space Station (ISS). During NICER's 18-month baseline science mission to understand ultra-dense matter through observations of neutron stars in the soft X-ray band, SEXTANT will, for the first-time, demonstrate real-time, on-board X-ray pulsar navigation. Using NICER/SEXTANT as an example, we describe the factors that determine the measurement errors on pulse times of arrival, including source and background count rates, and pulse profile shapes. We then describe properties of the SEXTANT navigation pulsar catalog and prospects for growing it once NICER launches. Finally, we describe the factors affecting the prediction of pulse arrival times in advance, including variable interstellar propagation effect and red timing noise. Together, all of these factors determine how well a particular realization of an X-ray pulsar-based navigation system will perform.

研究の動機と目的

• 深宇宙ミッションにおけるX線パルサーを自然な航行ビーコンとして使用する可能性を評価すること。
• X線パルサー航行におけるパルス到着時刻（TOA）測定精度に影響を与える主な誤差要因を特定・定量すること。
• ミリ秒パルサー（MSP）の長期的安定性と予測可能性を評価し、搭載型航行システムへの応用を検討すること。
• パルサーのノイズ特性および宇宙間伝播効果を踏まえたタイミングモデルの更新頻度要件を特定すること。
• SEXTANTのNICER上での技術実証を基に、将来的なX線航行機器開発の性能限界を解明すること。

提案手法

• 国際宇宙ステーション（ISS）のNICERX線望遠鏡に搭載されたSEXTANT技術実証を、X線パルサー航行の事例研究として用いる。
• 源および背景のカウントレート、パルスプロファイル形状、検出器感度に基づいて、TOA測定誤差を分析する。
• NANOGravのタイミングデータを用いて、宇宙間分散測定値（DM）の変動がTOA予測精度に与える影響を評価する。
• TEMPO2のインタポレーションプラグインを用い、赤色ノイズを急勾配のパワースペクトルを持つ確率過程としてモデル化し、共分散に基づく外挿法を適用する。
• 安定なMSPと高い変動を示すクイック・パルサー（Crabパルサー）の性能を比較し、航行システムにおける更新頻度の必要性を検討する。
• 時間経過に伴うタイミングモデルの予測誤差を定量的に評価し、MSPでは数か月にわたり信頼性のある外挿が可能であるのに対し、Crabパルサーは約3日ごとに更新が必要であることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙船航行におけるX線パルス到着時刻測定の主な誤差要因は何か？
• RQ2 宇宙間の分散測定値（DM）の変動が、X線パルサーのTOA予測精度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ミリ秒パルサーにおける赤色ノイズが、長期的なTOA外挿精度にどの程度制限を及えるか？
• RQ4 10 kmの航行精度を維持するには、異なるパルサーに対してどの程度の頻度でタイミングモデルを更新する必要があるか？
• RQ5 ミリ秒パルサーは、自律的X線パルサー航行システムに安定した長期的基準時計として機能できるか？

主な発見

• ミリ秒パルサー（MSP）は原子時計と同等の長期的安定性を示し、最小限のモデル更新で信頼性の高い航行が可能である。
• SEXTANTは10 kmの航行精度（33 μsのTOA精度）を目標とし、1 kmのストレッチゴール（3 μs）を達成可能であり、現在のX線機器で実現可能である。
• 電子密度のフラクチュエーションに応じて、電波帯からX線帯への外挿において、DMの変動が最大2 μsのTOA予測誤差を引き起こす可能性がある。
• MSPにおける赤色ノイズは数年間で数マイクロ秒のタイミング残差を生じるが、最適な共分散に基づく外挿法を用いることで、数か月間の精度維持が可能である。
• 若年性の高いRPP（クイック・パルサー）として知られるCrabパルサーは、高いタイミングノイズと不安定性のため、10 μsの予測精度を維持するには約3日ごとにエフェメリスの更新が必要である。
• 低タイミングノイズと安定したパルスプロファイルを示すMSPは、フィッティング観測期間をはるかに超えて数か月間の信頼性のあるTOA予測が可能であり、自律航行に最適である。