[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种针对帕克斯脉冲星计时阵列（Parkes Pulsar Timing Array）的新噪声建模技术，采用分裂Cholesky算法对色散量（DM）变化引起的非平稳红噪声进行建模，实现了对五个毫秒脉冲星的首次显著视差测量，以及对PSR J0437−4715 156.79 ± 0.25 pc的0.16%精度距离测量，这是迄今最精确的恒星距离测量结果。

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.

研究动机与目标

• 通过解决非平稳红噪声问题，提升帕克斯脉冲星计时阵列中20颗毫秒脉冲星的定时模型精度。
• 开发一种能考虑随时间变化的色散量（DM）变化的噪声建模框架，尤其针对早期数据。
• 在复杂红噪声过程中实现无偏参数估计和准确的不确定性量化。
• 实现迄今最精确的脉冲星距离与质量测量，支持广义相对论检验和引力波探测。
• 提供一种适用于未来PPTA数据发布中具有非平稳噪声特征的通用方法。

提出的方法

• 实施了一种分裂Cholesky算法，通过将DM变化分解为确定性趋势和随机分量，对非平稳红噪声进行建模。
• 基于早期数据中观测到的额外噪声，分别在14颗和4颗脉冲星的定时模型中加入了线性和年周期DM变化项。
• 采用两分量噪声模型：一个用于整个数据集的频率无关红噪声，另一个用于早期观测中与DM相关的非平稳噪声。
• 对残差应用Cholesky分解以实现白化处理，确保无偏参数估计和准确的不确定性量化。
• 基于PSR J0437−4715的模拟数据验证了该方法，确认实现了无偏参数恢复和正确的不确定性估计。
• 结合定时视差与轨道周期导数测量，实现了高度精确的脉冲星距离推导。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否有效建模来自色散量变化的非平稳红噪声，以提升定时解的准确性？
• RQ2 线性和年周期DM变化对定时残差有何影响，如何将其整合进定时模型？
• RQ3 在复杂且时变的噪声条件下，分裂Cholesky算法能否提供无偏参数估计和正确的不确定性？
• RQ4 利用当前PPTA数据，能否实现毫秒脉冲星最精确的距离与质量测量？
• RQ5 像Shklovskii加速度这样的运动学效应如何影响轨道周期导数测量与距离估计？

主要发现

• 通过新噪声建模方法，首次对PSRs J1024−0719、J1045−4509、J1600−3053、J1603−7202和J1730−2304实现了显著的视差测量。
• 对PSR J0437−4715测得的距离为156.79 ± 0.25 pc，相对精度达0.16%，为迄今最精确的恒星距离测量结果。
• 由于改进了Shapiro延迟测量，PSR J0437−4715的脉冲星质量被修正为1.44 ± 0.07 M⊙，低于以往估计值。
• 对PSR J0437−4715的轨道周期导数实现了高精度测量，从而通过Shklovskii效应实现了距离测定。
• 定时视差距离为156.9 ± 2.2 pc，与VLBI视差距离156.3 ± 1.3 pc一致，验证了该方法的有效性。
• 该方法具有通用性，适用于未来PPTA数据发布及其他具有非平稳噪声特征的脉冲星计时阵列。