[論文レビュー] MeerTime - the MeerKAT Key Science Program on Pulsar Timing

M. Bailes, E D Barr+29 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 16被引用数 30

ひとこと要約

MeerTimeは、MeerKAT望遠鏡を用いた5年間のキーサイエンスプログラムであり、リアルタイムコherent dedispersionとマルチサブアレイ運用を活用して、1,000個以上のパルサー（ミリ秒パルサーや連星パルサーを含む）の高精度なタイミングを実施する。このプロジェクトは、相対性理論の検証、超大質量ブラックホール連星からの重力波の探索、中性子星内部構造およびパルサー集団の研究を可能にし、国際パルサータイミングアレイ（IPTA）を支援するため、データを公開する。

ABSTRACT

The MeerKAT telescope represents an outstanding opportunity for radio pulsar timing science with its unique combination of a large collecting area and aperture efficiency (effective area $\sim$7500 m$^2$), system temperature ($T<20$K), high slew speeds (1-2 deg/s), large bandwidths (770 MHz at 20cm wavelengths), southern hemisphere location (latitude $\sim -30^\circ$) and ability to form up to four sub-arrays. The MeerTime project is a five-year program on the MeerKAT array by an international consortium that will regularly time over 1000 radio pulsars to perform tests of relativistic gravity, search for the gravitational wave signature induced by supermassive black hole binaries in the timing residuals of millisecond pulsars, explore the interiors of neutron stars through a pulsar glitch monitoring programme, explore the origin and evolution of binary pulsars, monitor the swarms of pulsars that inhabit globular clusters and monitor radio magnetars. In addition to these primary programmes, over 1000 pulsars will have their arrival times monitored and the data made immediately public. The MeerTime pulsar backend comprises two server-class machines each of which possess four Graphics Processing Units. Up to four pulsars can be coherently dedispersed simultaneously up to dispersion measures of over 1000 pc cm$^{-3}$. All data will be provided in psrfits format. The MeerTime backend will be capable of producing coherently dedispersed filterbank data for timing multiple pulsars in the cores of globular clusters that is useful for pulsar searches of tied array beams. All MeerTime data will ultimately be made available for public use, and any published results will include the arrival times and profiles used in the results.

研究の動機と目的

• MeerKAT望遠鏡の高感度およびサブアレイ機能を活用し、1,000個以上のパルサーに対して高精度なパルサータイミングを実施すること。
• ミリ秒パルサーのタイミング残差をモニタリングすることで、一般相対性理論の検証および低周波数の重力波を検出すること。
• グルーブスのモニタリングおよび連星系におけるパルサー質量の測定を通じて、中性子星内部構造を研究すること。
• 球状星団内のパルサーの力学的・進化的挙動を調査し、電波磁気星の起源を解明すること。
• TRAPUM調査を補完するために、新たに発見されたパルサーのタイミングを実施し、IPTAの長期的データ保持を確保すること。

提案手法

• MeerKATの7,500 m²の有効受光面積、20 K未満の低システム温度、770 MHz帯域幅を活用し、高感度なタイミングを実現する。
• 2台のサーバークラスマシンを搭載したカスタムパルサー後端処理装置を採用し、最大1,000 pc cm⁻³までのリアルタイムコherent dedispersionを可能にする。
• 最大4個のパルサーを同時にタイミング可能であり、psrfits形式のフィルターバンクデータを生成し、パルサー探索およびタイミング解析に利用可能である。
• サブアレイ技術を用いて、スチルレーション最大点でのパルサー観測と、他のサブアレイでの通常のタイミングを同時に実施し、微弱な源に対する感度を向上させる。
• 定期的な観測サイクル（年間約20回）を採用し、パrameterの相関を低減し、タイミング解の安定性を向上させる。
• 標準的なパルサータイミングパッケージ（tempo, tempo2, PINT）を活用し、校正済みデータ（到着時刻およびプロファイルを含む）をオープンアクセスパイプラインを通じて公開する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ秒パルサーのタイミング残差は、超大質量ブラックホール連星からの確率的重力波背景を検出可能か？
• RQ2 グルーブスのモニタリングおよび連星系における質量測定を通じて、中性子星の状態方程式にどのような制約を課すことができるか？
• RQ3 連星パルサーの軌道減衰率は、重力波の放射およびコンパクト連星系の進化にどのように関与するか？
• RQ4 球状星団パルサーの固有運動および運動学的特性は、星団の力学的挙動および銀河構造にどのような制約を課すか？
• RQ5 磁気星の電波放射および磁気圏挙動の物理的条件は何か？ そして、短時間スケールでどのように進化するか？

主な発見

• MeerTimeは、1,000個以上のパルサーを高精度でタイミングする予定であり、すでに軌道減衰が検出された8つの連星パルサーに加え、MeerKATの感度により4〜6個の追加システムで減衰が観測される見込みである。
• このプロジェクトにより、少なくとも10個の追加の連星中性子星系の質量測定が可能となり、アレシボやFASTでは実現不可能な能力を有する。
• MeerKATのサブアレイ機能により、スチルレーション最大点でのパルサー観測と通常のタイミングを同時に実施でき、微弱な源に対する感度が向上する。
• MeerKATのコンMISSIONING中に、初のリアルタイムパルサー波形が正常に取得され、後端処理装置の準備状況が確認された。
• 1,000個のパルサーから得られるデータは即時公開されるが、MSP、連星、球状星団のデータは18か月後に公開される。
• 発表されたすべての結果には、到着時刻および使用された原始データが含まれるため、完全な再現性が保証され、IPTAの長期的重力波検出作業を支援する。