[論文レビュー] Nancay radiotelescope as part of the international Pulsar Timing campaigns

I. Cognard, G. Theureau+2 more|ArXiv.org|Nov 9, 2009

Radio Astronomy Observations and Technology被引用数 4

ひとこと要約

ナンシー電波望遠鏡は、GPUアクセラレートされたコherentな分散除去システムを用いて、ミリ秒パルサーの高精度なタイミングを実現し、1 µs未塔のタイミング残差を達成している。ヨーロッパパルサータイミングアレイ（EPTA）の一員として、宇宙論的重力波背景の国際的探索において重要な役割を果たしており、監視中の半数のパルサーで1 µs未塔のタイミング残差を達成している。

ABSTRACT

Nancay radiotelescope is involved in high precision timing since 20 years. Since 2004, a coherent dedispersion instrumentation enables numerous routine observations on more than 200 pulsars using half of the time if this 100-meters class radiotelescope. Two main programs are currently conducted. A large set of young and old pulsars is timed for a multi-wavelength approach, complementary to the very successful high energy observations of pulsars done by FERMI. A set of highly stable millisecond pulsars is monitored as our contribution to the European Pulsar Timing Array in order to probe the cosmological Gravitational Wave Background.

研究の動機と目的

• GPUアクセラレーションを用いたリアルタイムコherentな分散除去の実装により、パルサーのタイミング精度を向上させること。
• 宇宙論的重力波背景の検出を支援するヨーロッパパルサータイミングアレイ（EPTA）を支援すること。
• フェルミ-LATが観測するパルサーの高精度な回転エフェマリスを提供することで、多波長研究を可能にすること。
• 共有されたToAs、テンプレート、および協働観測キャンペーンを通じて、パルサータイミング分野における国際的連携を強化すること。
• 400 MHz帯域幅を処理できる次世代の装置を開発することにより、感度を向上させること。

提案手法

• Nvidia GeForce 8800 GTX機器を用いて、複素時間系列の逆フーリエ変換によるGPUベースのリアルタイムコherentな分散除去を実施すること。
• コherently分散されたプロファイルから正確な到着時刻（ToAs）を求めるために、フーリエ領域におけるカイ二乗フィットを適用すること。
• パルサーのパラメータをフィットし、観測されたと予測されたパルス時刻との差分（ToA残差）を計算するために、tempo2ソフトウェアパッケージを用いること。
• 400 MHz帯域幅を処理できる次世代システムを、CASPERグループのROACHボードに基づいて設計すること。
• 持続的な高負荷状態での運用寿命を延ばすために、GPUにウォーターコolingを導入すること。
• 感度を最適化し、宇宙間分散効果を最小限に抑えるために、1.1–3.5 GHzの連続帯域幅を維持するクラウス型設計を採用すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GPUアクセラレートされたコherentな分散除去は、ミリ秒パルサーに対して1 µs未塔のタイミング精度を達成できるか？
• RQ2 ナンシー電波望遠鏡のタイミング性能は、他の国際的なパルサータイミング施設と比べてどのように異なるか？
• RQ3 安定したミリ秒パルサーの高精度なタイミングは、宇宙論的重力波背景に対する感度をどの程度向上させ得るか？
• RQ4 協働的な国際的連携は、パルサータイミングアレイのダイナミックレンジと信頼性を向上させる上で果たす役割は何か？
• RQ5 400 MHz帯域幅のシステムの導入は、弱いまたは分散の強いパルサー信号の検出にどのように寄与するか？

主な発見

• ナンシー電波望遠鏡は、監視中の20個以上のミリ秒パルサーの半数で1 µs未塔のタイミング残差を達成しており、一部は500 ns未塔である。
• PSR J1909-3744では、タイミング残差のrmsが0.119 µsにまで低下しており、優れた安定性と精度を示している。
• GPUベースのコherentな分散除去システムにより、128 MHz帯域幅のリアルタイム処理が可能となり、CPU負荷は60%に抑えられ、データ品質が著しく向上した。
• このシステムは、フェルミ-LATが観測した8個のミリ秒パルサーのうち6個の検出を可能にするエフェマリスの提供に成功した。
• ナンシーのデータはEPTAに貢献しており、国際パルサータイミングアレイへ統合されつつある。また、パーキーズパルサータイミングアレイとの包括的覚書（MoU）の交渉が進行中である。
• 次世代システム（ROACHボードベース）は400 MHz帯域幅を処理可能となり、感度とダイナミックレンジが顕著に向上する。