[論文レビュー] The Role of FAST in Pulsar Timing Arrays

G. Hobbs, Shi Dai+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2014

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、パulsarタイムイングアレイ（PTA）における変革的ツールとしての500メートル口径球面電波望遠鏡（FAST）の可能性を評価し、超低周波数重力波の直接検出、パルサーを用いた時刻標準の向上、太陽系エフェマリスの精緻化を可能にする潜在的可能性を示している。FASTの優れた感度により、既知のパルサーのタイムイング精度が向上し、新たなパルサーの発見も可能になるが、ジャッターやタイムイングノイズが長期的PTA実験における主な制限要因であると特定されている。

ABSTRACT

The Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST) will become one of the world-leading telescopes for pulsar timing array (PTA) research. The primary goals for PTAs are to detect (and subsequently study) ultra-low-frequency gravitational waves, to develop a pulsar-based time standard and to improve solar system planetary ephemerides. FAST will have the sensitivity to observe known pulsars with significantly improved signal-to-noise ratios and will discover a large number of currently unknown pulsars. We describe how FAST will contribute to PTA research and show that jitter- and timing-noise will be the limiting noise processes for FAST data sets. Jitter noise will limit the timing precision achievable over data spans of a few years while timing noise will limit the precision achievable over many years.

研究の動機と目的

• 超低周波数重力波の検出を目的としたパルサータイムイングアレイ（PTA）研究におけるFASTの潜在的貢献を評価すること。
• FASTの感度と口径サイズが既知のパルサーにおけるタイムイング精度をどのように向上させ、新たなパルサーの発見を可能にするかを評価すること。
• 将来のPTA実験における性能を制限する主なノイズ源（ジャッターとタイムイングノイズ）を特定・分析すること。
• 国際パルサータイムイングアレイ（IPTA）および将来のSKA時代のPTA共同研究にFASTを統合することによる科学的利点を概説すること。
• FASTを基盤とするPTAプロジェクトにおける最適な観測戦略およびデータ管理プロトコルの設計をガイドすること。

提案手法

• 既存のパルサータイムイングフレームワークを用いて、FASTで観測されたパルサーの予想されるタイムイング残差および信号対ノイズ比をモデル化すること。
• 望遠鏡の感度と受光面積が、タイムイング残差内における重力波信号検出に与える影響を分析すること。
• ジャッターノイズが数年間の時間スケールで主な短期的制限要因であることを特定し、タイムイングノイズが長期間（数年以上）にわたる制約要因であることを分析すること。
• パックス、アレセイボ、その他の望遠鏡から得られる既存のIPTAデータセットとFASTデータを統合することで感度がどのように向上するかを評価すること。
• 特にEPM太陽系エフェマリスとの連携を想定した場合に、FASTデータが既存のソフトウェアツール（tempon2など）とどれほど互換性を持つかを評価すること。
• LOFAR、MWA、将来のSKA望遠鏡を含むグローバルPTAインfra構造を考慮した最適な観測戦略を提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジャッターノイズは、FASTの観測帯域（700 MHz ～ 3 GHz）全域でタイムイング精度にどのように影響を及ぼすか。また、これは広帯域的であるか。
• RQ2 タイムイングノイズは単純なレッドノイズ過程としてモデル化可能か。また、データ期間が長くなるにつれてノイズパワーが無限に増大するのか、それとも飽和するのか。
• RQ3 パルサーのスピンパラメータと内在的タイムイングノイズレベルとの間に相関があるか。
• RQ4 パルス波形の状態分析やその他の補正技術によってタイムイングノイズを低減可能か。
• RQ5 他のグローバルPTA望遠鏡と連携する際、重力波検出感度を最大限に高めるためにFASTに最適な観測戦略は何か。

主な発見

• FASTの大きな受光面積により、既知のパルサーにおける信号対ノイズ比が著しく向上し、より高精度なタイムイング測定が可能になる。
• FASTの高い感度のおかげで、特にミリ秒パルサーを含む多数の未発見パルサーが発見されると予想される。
• ジャッターノイズは、数年間のデータ期間においてタイムイング精度の主な制限要因であると特定された。
• 長期間のPTA実験においては、特に数年以上のデータ期間を想定した場合、タイムイングノイズが主な制限要因になると予想される。
• FASTデータを既存のIPTAデータセットと統合することで、超低周波数重力波背景への感度が著しく向上する。
• グローバルPTA活動へのFASTの統合により、一般相対性理論の検証、地上時刻標準の向上、太陽系エフェマリスの精緻化といった画期的な科学的進展が可能になる。