[论文解读] A Cosmic Census of Radio Pulsars with the SKA

E. F. Keane, Bhaswati Bhattacharyya+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2014

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文提出，通过利用其大视场、高灵敏度和先进的后端处理能力，平方千米阵列（SKA）将能够对银河系及邻近星系中的射电脉冲星进行全面普查。文章概述了SKA1和SKA2将发现超过10,000颗脉冲星——显著增加已知脉冲星数量——并利用实时后续定时测量，实现对广义相对论的突破性检验、中子星内部结构的探测，以及通过脉冲星时标阵列检测纳赫兹引力波。

ABSTRACT

The Square Kilometre Array (SKA) will make ground breaking discoveries in pulsar science. In this chapter we outline the SKA surveys for new pulsars, as well as how we will perform the necessary follow-up timing observations. The SKA's wide field-of-view, high sensitivity, multi-beaming and sub-arraying capabilities, coupled with advanced pulsar search backends, will result in the discovery of a large population of pulsars. These will enable the SKA's pulsar science goals (tests of General Relativity with pulsar binary systems, investigating black hole theorems with pulsar-black hole binaries, and direct detection of gravitational waves in a pulsar timing array). Using SKA1-MID and SKA1-LOW we will survey the Milky Way to unprecedented depth, increasing the number of known pulsars by more than an order of magnitude. SKA2 will potentially find all the Galactic radio-emitting pulsars in the SKA sky which are beamed in our direction. This will give a clear picture of the birth properties of pulsars and of the gravitational potential, magnetic field structure and interstellar matter content of the Galaxy. Targeted searches will enable detection of exotic systems, such as the ~1000 pulsars we infer to be closely orbiting Sgr A*, the supermassive black hole in the Galactic Centre. In addition, the SKA's sensitivity will be sufficient to detect pulsars in local group galaxies. To derive the spin characteristics of the discoveries we will perform live searches, and use sub-arraying and dynamic scheduling to time pulsars as soon as they are discovered, while simultaneously continuing survey observations. The large projected number of discoveries suggests that we will uncover currently unknown rare systems that can be exploited to push the boundaries of our understanding of astrophysics and provide tools for testing physics, as has been done by the pulsar community in the past.

研究动机与目标

• 利用SKA前所未有的灵敏度和巡天能力，实现对银河系及邻近星系中可探测射电脉冲星的全面普查。
• 发现并定时大量毫秒脉冲星（MSPs），用于脉冲星时标阵列（PTAs）以探测低频引力波。
• 识别并表征奇特脉冲星系统，包括围绕Sgr A*运行的紧密轨道系统以及双星或三合星系统，以检验强场引力。
• 通过提供X射线和伽马射线脉冲星对应体的高精度定时星历，支持多波段天体物理学研究。
• 优化后续定时观测的周期与调度策略，以维持定时一致性，并从新发现的脉冲星中提取最大科学价值。

提出的方法

• 利用SKA1-MID和SKA1-LOW在多个天空频率上对银河系及本星系群星系开展深度、大范围巡天。
• 实施实时、即时的脉冲星搜寻，通过子孔径组合与动态调度，在发现后立即启动后续定时观测。
• 应用先进的脉冲星搜寻后端，能够处理在巨大参数空间中的色散量、周期和加速度搜索。
• 采用高密度、长期定时观测计划，以解析双星及奇特系统中的定时异常、跳变现象和轨道参数。
• 通过识别具有最小红噪声和长期定时一致性的稳定MSPs，优先用于PTA研究。
• 将射电定时数据与多波段观测相结合，以改善距离估计并约束辐射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA将在银河系中探测到多少颗射电辐射脉冲星？其中有多少比例为毫秒脉冲星？
• RQ2 围绕Sgr A*的紧密轨道脉冲星预期数量是多少？SKA巡天如何实现其探测？
• RQ3 SKA的灵敏度与巡天策略如何通过脉冲星时标阵列实现引力波探测？
• RQ4 为维持如脉冲星-黑洞双星或三合星系统等奇特系统的定时一致性，需要何种定时周期与观测策略？
• RQ5 如何通过实时后续观测与动态调度，最大化新发现脉冲星的科学回报？

主要发现

• SKA预计将在已知银河系射电脉冲星数量基础上提升一个以上数量级，可能发现超过10,000颗新源。
• SKA2有望探测到所有朝向地球辐射的银河系射电脉冲星，从而实现对脉冲星形成特性与银河系磁场结构的完整普查。
• SKA将探测到本星系群星系中的脉冲星，用作星际介质的探针，并可能成为引力波探测的潜在目标。
• SKA将发现约1,000颗围绕Sgr A*运行的紧密轨道脉冲星，为广义相对论的强场检验提供独特机遇。
• 实时子孔径组合与动态调度将实现对新发现脉冲星的即时后续定时，确保定时一致性并实现快速科学产出。
• 长期、高密度定时观测计划——包括每日至每月的观测周期，以及对短周期双星的完整轨道采样——对于探测后牛顿效应与引力波信号至关重要。