[論文レビュー] Timing analysis for 20 millisecond pulsars in the Parkes Pulsar Timing Array

Daniel J. Reardon, G. Hobbs+19 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、パーキーズパルサータイミングアレイ（PPTA）におけるノイズモデリング技術を新たに提案し、非定常的赤ノイズを分散測定（DM）の変動からモデル化するためのスプリット・コレスキー法を用いる。これにより、5個のミリ秒パルサーについて初めて有意義なパララックス測定が可能となり、PSR J0437−4715の距離は156.79 ± 0.25 pcという0.16%の精度で測定され、これまでに達成された中で最も正確な恒星距離測定となった。

ABSTRACT

We present timing models for 20 millisecond pulsars in the Parkes Pulsar Timing Array. The precision of the parameter measurements in these models has been improved over earlier results by using longer data sets and modelling the non-stationary noise. We describe a new noise modelling procedure and demonstrate its effectiveness using simulated data. Our methodology includes the addition of annual dispersion measure (DM) variations to the timing models of some pulsars. We present the first significant parallax measurements for PSRs J1024-0719, J1045-4509, J1600-3053, J1603-7202, and J1730-2304, as well as the first significant measurements of some post-Keplerian orbital parameters in six binary pulsars, caused by kinematic effects. Improved Shapiro delay measurements have resulted in much improved pulsar mass measurements, particularly for PSRs J0437-4715 and J1909-3744 with $M_p=1.44\pm0.07$ $M_\odot$ and $M_p=1.47\pm0.03$ $M_\odot$ respectively. The improved orbital period-derivative measurement for PSR J0437-4715 results in a derived distance measurement at the 0.16% level of precision, $D=156.79\pm0.25$ pc, one of the most fractionally precise distance measurements of any star to date.

研究の動機と目的

• パーキーズパルサータイミングアレイ（PPTA）の20個のミリ秒パルサーにおけるタイミングモデルの精度を向上させること。非定常的赤ノイズに対処することを目的とする。
• 時間的に変化する分散測定（DM）の変動を考慮するノイズモデリングフレームワークを構築すること。特に初期データにおける変動に注目する。
• 複雑な赤ノイズ過程が存在する状況下でも、偏りのないパrameter推定と正確な不確実性評価を可能とすること。
• 現在のPPTAデータを用いて、パルサーの距離および質量測定の最も高い精度を達成すること。一般相対性理論の検証および重力波検出に貢献することを目的とする。
• 非定常的ノイズ特性を示す将来のPPTAデータリリースにも適用可能な手法を提供すること。

提案手法

• 非定常的赤ノイズを、DMの変動を決定論的トレンドと確率的成分に分離することでモデル化するスプリット・コレスキー法を実装した。
• 14個のパルサーに線形および年間DM変動項を含め、4個のパルサーに年間DM変動項を含めた。これは初期データにおける過剰ノイズの観測に基づくものである。
• 2成分ノイズモデルを採用した。1つは全データセットにわたる周波数非依存の赤ノイズを表し、もう1つは初期観測におけるDM固有の非定常的ノイズを表す。
• 残差をホワイト化するためにコレスキー分解を適用し、偏りのないパrameter推定と正確な不確実性評価を保証した。
• PSR J0437−4715に基づくシミュレーテッドデータを用いて手法を検証し、偏りのないパrameter回復と正しい不確実性推定が得られることを確認した。
• タイミングパララックスと軌道周期変化率の測定を組み合わせ、高精度のパルサー距離を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散測定（DM）の変動に起因する非定常的赤ノイズを、タイミング解の精度向上に寄与する形で効果的にモデリングできるか？
• RQ2 年間および線形DM変動がタイミング残差に与える影響は何か？ また、それらをタイミングモデルに組み込むにはどうすればよいか？
• RQ3 スプリット・コレスキー法は、複雑で時間的に変化するノイズの存在下でも、偏りのないパrameter推定と正しい不確実性を提供できるか？
• RQ4 現在のPPTAデータを用いて、ミリ秒パルサーの距離および質量測定で達成可能な最も高い精度は何か？
• RQ5 シュコルスキー効果に起因する運動学的効果（例えばシュコルスキー加速度）は、軌道周期変化率の測定および距離推定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 本手法を用いることで、PSRs J1024−0719, J1045−4509, J1600−3053, J1603−7202, および J1730−2304 について、初めて有意義なパララックス測定が達成された。
• PSR J0437−4715の距離は156.79 ± 0.25 pcと測定され、相対誤差は0.16%に達し、これまでに測定された中で最も正確な恒星距離測定となった。
• PSR J0437−4715のパルサー質量は、改善されたシャピロ遅延測定のおかげで1.44 ± 0.07 M⊙に精錬され、以前の推定値より低くなった。
• PSR J0437−4715の軌道周期変化率は高精度で測定され、シュコルスキー効果を用いた距離決定が可能となった。
• タイミングパララックスによる距離156.9 ± 2.2 pcは、VLBIパララックス距離156.3 ± 1.3 pcと整合的であり、手法の妥当性が裏付けられた。
• 本手法は一般化可能であり、将来のPPTAデータリリースおよび非定常的ノイズ特性を示す他のパルサータイミングアレイにも適用可能である。