[論文レビュー] An unusual pulse shape change event in PSR J1713+0747 observed with the Green Bank Telescope and CHIME

Ross J. Jennings, J. M. Cordes+42 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2020年から2023年の間、グリーン・バック・テレスコープ（GBT）とCHIMEを用いた同時観測により、ミリ秒パulsar PSR J1713+0747で観測された、まれな周波数依存性を持つパルス波形の変化を報告している。この現象は、電波周波数全域で顕著な非単調なTOA残差を引き起こしたが、グルーブやDMの変化とは異なり、以前に観測された色分散タイミング事象に類似しており、標準的なパルスタイミング解析に挑戦するが、重力波感度を損なわずに除去可能である可能性がある。

ABSTRACT

The millisecond pulsar J1713+0747 underwent a sudden and significant pulse shape change between April 16 and 17, 2021 (MJDs 59320 and 59321). Subsequently, the pulse shape gradually recovered over the course of several months. We report the results of continued multi-frequency radio observations of the pulsar made using the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) and the 100-meter Green Bank Telescope (GBT) in a three-year period encompassing the shape change event, between February 2020 and February 2023. As of February 2023, the pulse shape had returned to a state similar to that seen before the event, but with measurable changes remaining. The amplitude of the shape change and the accompanying TOA residuals display a strong non-monotonic dependence on radio frequency, demonstrating that the event is neither a glitch (the effects of which should be independent of radio frequency, $ν$) nor a change in dispersion measure (DM) alone (which would produce a delay proportional to $ν^{-2}$). However, it does bear some resemblance to the two previous "chromatic timing events" observed in J1713+0747 (Demorest et al. 2013; Lam et al. 2016), as well as to a similar event observed in PSR J1643-1224 in 2015 (Shannon et al. 2016).

研究の動機と目的

• 2021年4月16日から17日にかけて観測された、PSR J1713+0747における異常で急激なパルス波形変化を同定すること。
• 複数の電波バンドにおける周波数依存性を分析することで、この現象の物理的起源を特定すること。
• このような色分散タイミング事象が、ナノヘルツ重力波を標的とするパルスタイミングアレイ（PTA）検出作業に与える影響を評価すること。
• この事象が、広帯域タイミングフレームワーク内でモデル化され、重力波感度を損なわずに除去可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 3年間（2020年2月から2023年2月まで）にわたり、100メートルのグリーン・バック・テレスコープとカナダ水素強度マッピング実験（CHIME）を用いて、多周波数電波観測が実施された。
• TOA残差の周波数依存性を計算・分析することで、グルーブやDM変動といった標準的現象とは区別された。
• パルス波形の形状変化を検討した結果、DMやグルーブモデルとは整合しない非単調な周波数依存性が明らかになった。
• 広帯域TOA対数尤度フレームワークを検討し、DM補正を超える波形構造を直接モデル化することで、周波数依存効果を扱った。
• 発生、持続期間、回復という時間的変化を追跡し、長期的なタイミング安定性への影響を評価した。
• PSR J1713+0747およびPSR J1643−1224における過去の色分散タイミング事象と比較分析し、共通の物理的メカニズムを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2021年4月に観測された、PSR J1713+0747における急激で顕著なパルス波形変化の原因は何か。なぜ周波数依存性を示したのか。
• RQ2 観測されたTOA残差の挙動は、グルーブや分散測定（DM）変化の予想される挙動とどのように異なるか。
• RQ3 この事象が、ナノヘルツ重力波を標的とするパルスタイミングアレイ（PTA）実験の精度に及ぼす影響はどの程度か。
• RQ4 この事象の周波数依存効果は、広帯域タイミングフレームワーク内でモデル化され、重力波感度を損なわずに除去可能か。
• RQ5 この事象は、PSR J1713+0747やPSR J1643−1224で以前に観測された色分散タイミング事象と整合性があるか。

主な発見

• PSR J1713+0747のパルス波形変化は、MJD 59320から59321（2021年4月16日から17日）の間に急激に発生し、TOA残差に非単調な周波数依存性を示した。これは、単純なグルーブやDM変化を除外するものであった。
• この現象は、周波数依存性が強く、DM変動（ν−2遅延）やグルーブ効果（周波数非依存）とは整合しない複雑な色分散メカニズムを示した。
• パルス波形は数か月にわたり徐々に回復し、2023年2月には事象前の観測状態にほぼ戻ったが、測定可能な残差差異が残存した。
• この現象は、PSR J1713+0747で以前に観測された2件の色分散タイミング事象およびPSR J1643−1224での1件の事象に類似しており、共通の物理的起源を示唆している。
• この事象は時間的に局在的で、周波数依存性が強く、1つのパルス星に限定されているため、重力波信号と相関する可能性は低く、原則としてPTAデータセットからモデル化・差し引くことが可能である。
• 本研究は、広帯域TOA尤度を用いた高度な手法により、波形レベルでこの種の事象を直接モデル化可能であることを支持しており、重力波検出感度を損なわずにタイミング精度を維持できる。