[論文レビュー] The GMRT High Resolution Southern Sky Survey for pulsars and transients -- III: searching for long period pulsars

Shubham Singh, Jayanta Roy+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 32被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、GMRT高分解能南天域スカイサーベイ（GHRSS）調査データにおいて長周期パルサーを検出するための、非常に感度の高いFFA（Fast Folding Algorithm）検索パイプラインを、RIPTIDEを用いて提示している。実 telescope ノイズにおける従来のFFTベースの検索と比較して、調和和をとる手法に比べて優れた性能を示した。この手法は、43個の既知パルサーを再検出し、2個の新しいパルサーを発見した。そのうち1つは1.1秒周期、1％未満のドゥーティーサイクルを持つパルサーであり、FFT検索では見逃されていた。パルサー死線付近の感度が著しく向上した。

ABSTRACT

Searching for periodic non-accelerated signals in presence of ideal white noise using the fully phase-coherent Fast Folding Algorithm (FFA) is theoretically established as a more sensitive search method than the Fast Fourier Transform (FFT) search with incoherent harmonic summing. In this paper, we present a comparison of the performance of an FFA search implementation using RIPTIDE and an FFT search implementation using PRESTO, over a range of signal parameters with white noise and with real telescope noise from the GHRSS survey with the uGMRT. We find that FFA search with appropriate de-reddening of time series, performs better than FFT search with spectral whitening for long period pulsars in real GHRSS noise conditions. We describe an FFA search pipeline implemented for the GHRSS survey looking for pulsars over a period range of 0.1 s to 100 s and up to dispersion measure of 500 pc cm$^{-3}$. We processed GHRSS survey data covering $\sim$ 1500 degree$^2$ of the sky with this pipeline. We re-detected 43 known pulsars with better signal-to-noise in the FFA search than in the FFT search. We also report discovery of two new pulsars including a long period pulsar having a short duty-cycle with this FFA search pipeline. The population of long period pulsars with periods of several seconds or higher can help to constrain the pulsar death-line.

研究の動機と目的

• GHRSS調査において、観測的およびアルゴリズム的バイアスのため、不足しがちな長周期パルサー（P > 1 s）の感度を向上させること。
• 理論的に優れたFFA検索手法が、赤色ノイズおよびRFIを含む実世界のノイズ条件下でも、FFTベースの検索に比べて優位性を保つかどうかを検証すること。
• RIPTIDEを用いてFFAベースのパイプラインを開発・最適化し、0.1秒から100秒の周期および最大500 pc cm⁻³のDMを持つパルサーを検出すること。
• 理論的電波放射カットオフに近い源を特定することで、長周期パルサーの集団を再評価し、パルサー死線を制約すること。

提案手法

• RIPTIDEソフトウェアパッケージを用いて、複数の試行周期で時間系列を効率的かつコherently畳み込む完全な位相コherent FFA検索を実装した。
• 畳み込みの前に分散測定（DM）によるスメアリング補正のためのデリデューシングを適用し、信号対雑音比を向上させた。
• 計算コストを最小限に抑えるために、さまざまな幅のボックスカー型テンプレートをパルスプロファイルのモデルとして用い、さまざまなドゥーティーサイクルにわたる感度を維持した。
• 時間系列における赤色ノイズを低減するために、ランニングメジアン差分法を適用した。これは、PRESTOのようなFFTパイプラインで用いられるスペクトルホワイトニング法よりも優れた性能を示した。
• 白色ノイズ、実GHRSSノイズ、および赤色ノイズを模擬した状況下で、FFA（RIPTIDE）とFFT（PRESTO）の検索感度を比較分析した。
• 段階I（33 MHz帯域幅）と段階II（200 MHz帯域幅）のGHRSS調査において、それぞれ異なる赤色ノイズ特性を踏まえて、検索パラメータを別々に最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 赤色ノイズおよびRFIを含む実GHRSSノイズ条件下で、FFA検索手法は、非コherentな調和和をとるFFTベースの検索に比べて高い感度を示すか？
• RQ2 実際のノイズ条件下で、パルサー周期、ドゥーティーサイクル、パルス波形に応じて、FFAおよびFFT検索の性能はどのように変化するか？
• RQ3 FFAベースの検索は、過去のFFTベースの調査で見逃された、特に低ドゥーティーサイクルを持つ長周期パルサー（周期>1 s）を検出できるか？
• RQ4 それぞれ異なる赤色ノイズ特性を示す段階Iおよび段階IIのGHRSS調査において、最適な検索周期範囲は何か？
• RQ5 時間領域におけるランニングメジアン差分法による赤色ノイズ低減は、FFT検索の感度向上において、周波数領域ホワイトニング法をどれほど上回るか？

主な発見

• 実ノイズ条件下で、43個の再検出された既知パルサーについて、RIPTIDEを用いたFFA検索は、8調和和をとるFFT検索よりも高い信号対雑音比を達成した。この感度向上は、ドゥーティーサイクルに依存しなかった。
• FFA検索は、2個の新しいパルサーを発見した。そのうち1つは1.1秒周期、1％未満のドゥーティーサイクルを持つパルサーであり、32調和和をとるFFT検索でも見逃されていた。
• 実GHRSSノイズ下では、FFT検索の感度は、大きなドゥーティーサイクルを持つパルサーに対して向上しなかったが、FFA検索はすべての周期およびドゥーティーサイクルで一貫した感度を維持した。
• GHRSS調査の感度閾値は、周期が1秒を超えるパルサー（DM <150 pc cm⁻³）に対して<0.15 mJyであり、理論的最小検出可能フラックスはDMに応じて増加する。
• 段階Iおよび段階IIのGHRSSデータは、顕著に異なる赤色ノイズパラメータを示し、これに応じて最適化された検索範囲が得られた：段階Iでは0.5–100 s、段階IIでは0.1–100 s。
• FFAパイプラインの適用により、GHRSS調査における長周期パルサー（P > 1 s）の数は1年間の処理で2個から5個に増加し、パルサー死線の探査における有効性が示された。