[论文解读] MeerTime - the MeerKAT Key Science Program on Pulsar Timing

M. Bailes, E D Barr+29 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 16被引用 30

一句话总结

MeerTime 是一项为期五年的关键科学计划，利用 MeerKAT 望远镜对超过1,000颗脉冲星（包括毫秒脉冲星和双星脉冲星）进行高精度计时，采用实时相干频散消除和多子阵列操作。该项目支持广义相对论的检验、超大质量黑洞双星引力波的搜寻，以及中子星内部结构与脉冲星种群的研究，其数据将公开发布，以支持国际脉冲星计时阵列（IPTA）。

ABSTRACT

The MeerKAT telescope represents an outstanding opportunity for radio pulsar timing science with its unique combination of a large collecting area and aperture efficiency (effective area $\sim$7500 m$^2$), system temperature ($T<20$K), high slew speeds (1-2 deg/s), large bandwidths (770 MHz at 20cm wavelengths), southern hemisphere location (latitude $\sim -30^\circ$) and ability to form up to four sub-arrays. The MeerTime project is a five-year program on the MeerKAT array by an international consortium that will regularly time over 1000 radio pulsars to perform tests of relativistic gravity, search for the gravitational wave signature induced by supermassive black hole binaries in the timing residuals of millisecond pulsars, explore the interiors of neutron stars through a pulsar glitch monitoring programme, explore the origin and evolution of binary pulsars, monitor the swarms of pulsars that inhabit globular clusters and monitor radio magnetars. In addition to these primary programmes, over 1000 pulsars will have their arrival times monitored and the data made immediately public. The MeerTime pulsar backend comprises two server-class machines each of which possess four Graphics Processing Units. Up to four pulsars can be coherently dedispersed simultaneously up to dispersion measures of over 1000 pc cm$^{-3}$. All data will be provided in psrfits format. The MeerTime backend will be capable of producing coherently dedispersed filterbank data for timing multiple pulsars in the cores of globular clusters that is useful for pulsar searches of tied array beams. All MeerTime data will ultimately be made available for public use, and any published results will include the arrival times and profiles used in the results.

研究动机与目标

• 利用 MeerKAT 望远镜的高灵敏度和子阵列能力，对超过1,000颗脉冲星进行高精度脉冲星计时。
• 通过监测毫秒脉冲星的计时残差，检验广义相对论并探测低频引力波。
• 通过跳变监测研究中子星内部结构，并测量双星系统中脉冲星的质量。
• 研究球状星团中脉冲星的动力学与演化，以及射电磁星的起源。
• 通过计时新发现的脉冲星，补充 TRAPUM 巡天项目，并为 IPTA 提供长期数据支持。

提出的方法

• 利用 MeerKAT 的 7,500 m² 有效集光面积、系统温度低于 20 K，以及 770 MHz 带宽，实现高灵敏度计时。
• 采用定制的脉冲星后端系统，由两台服务器级计算机组成，每台配备四块 GPU，支持最高达 1,000 pc cm⁻³ 的实时相干频散消除。
• 支持同时对多达四颗脉冲星进行计时，并以 psrfits 格式生成滤波器组数据，用于脉冲星搜寻和计时分析。
• 应用子阵列技术，在其他子阵列执行常规计时时，对脉冲星在闪烁极大值处进行观测，从而提升对微弱源的敏感度。
• 采用定期观测周期（约每年20次），以最小化参数共线性，提高计时解的稳定性。
• 依赖标准脉冲星计时软件包（tempo、tempo2、PINT），并通过开放访问管道发布校准数据，包括脉冲到达时间和轮廓。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过毫秒脉冲星的计时残差探测到来自超大质量黑洞双星的随机引力波背景？
• RQ2 通过跳变监测和双星系统中的质量测量，能对中子星状态方程施加何种约束？
• RQ3 双星脉冲星的轨道衰减速率如何揭示引力波发射机制及致密双星系统的演化？
• RQ4 球状星团脉冲星的自行和运动学特征是什么？它们如何约束星团动力学与银河系结构？
• RQ5 何种物理条件控制磁星的射电辐射与磁层行为？其在短 timescale 上如何演化？

主要发现

• MeerTime 将对超过1,000颗脉冲星进行高精度计时，包括8颗已探测到轨道衰减的双星脉冲星，另有4–6个系统预计在 MeerKAT 的灵敏度下将表现出衰减。
• 该项目将实现至少10个额外双中子星系统的质量测量，这一能力在 Arecibo 或 FAST 上无法实现。
• MeerKAT 的子阵列能力可实现对闪烁极大值处脉冲星与常规计时的同步观测，显著提升对微弱源的探测灵敏度。
• 在 MeerKAT 调试期间，首次成功获取了实时脉冲星轮廓，证实了后端系统的就绪状态。
• 1,000颗脉冲星阵列的数据将立即公开发布，而毫秒脉冲星、双星及球状星团的数据将在18个月后发布。
• 所有发表结果将包含所用的脉冲到达时间和原始数据，确保完全可复现，并支持 IPTA 的长期引力波探测工作。