[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究报告了在毫秒脉冲星 PSR J1713+0747 中观测到的一种罕见、频率依赖的脉冲轮廓变化，该现象通过格林班克望远镜（GBT）与 CHIME 在 2020 至 2023 年间的同时监测发现。该事件导致在不同射电频率下出现显著且非单调的 TOA 残差，与跳变或 DM 变化不同，其特征与以往的色散定时事件相似，对标准脉冲星定时分析构成挑战，但可通过建模移除而不损害引力波探测灵敏度。

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).

研究动机与目标

• 表征 2021 年 4 月 16 日至 17 日在 PSR J1713+0747 中观测到的异常、突发脉冲轮廓变化。
• 通过分析其在多个射电波段中的频率依赖行为，确定该事件的物理起源。
• 评估此类色散定时事件对脉冲星定时阵列（PTA）探测纳赫兹引力波工作的潜在影响。
• 评估是否可在宽频带定时框架内对事件进行建模并从中移除，而不损害 PTA 的灵敏度。

提出的方法

• 在三年时间跨度（2020 年 2 月至 2023 年 2 月）内，利用 100 米格林班克望远镜和加拿大氢强度测绘实验（CHIME）进行了多频段射电观测。
• 计算并分析了 TOA 残差的频率依赖性，以将该事件与跳变或 DM 变化等标准现象区分开来。
• 检查了脉冲轮廓的形状演化，发现其对射电频率呈现非单调依赖，与 DM 或跳变模型不一致。
• 考虑了宽频带 TOA 对数似然框架，以直接建模频率依赖效应，保留 DM 校正之外的轮廓结构。
• 追踪了事件的时间演化特征（起始、持续时间与恢复），以评估其对定时稳定性造成的长期影响。
• 与 PSR J1713+0747 和 PSR J1643−1224 中先前观测到的色散定时事件进行了对比分析，以识别潜在的共同物理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 2021 年 4 月观测到的 PSR J1713+0747 突发、显著的脉冲轮廓变化是由什么引起的？为何其具有频率依赖性？
• RQ2 该事件观测到的 TOA 残差行为与跳变或色散量（DM）变化所预期的行为有何不同？
• RQ3 该事件在多大程度上影响了针对纳赫兹引力波的脉冲星定时阵列（PTA）实验的精度？
• RQ4 该事件的频率依赖效应是否可在宽频带定时框架内被建模并移除，而不损害引力波探测灵敏度？
• RQ5 该事件是否与先前在 PSR J1713+0747 或 PSR J1643−1224 中观测到的色散定时事件一致？

主要发现

• PSR J1713+0747 的脉冲轮廓变化在 MJD 59320 至 59321（2021 年 4 月 16 日至 17 日）之间突然发生，其 TOA 残差表现出非单调的频率依赖性，排除了简单跳变或 DM 变化的可能性。
• 该事件表现出强烈的频率依赖行为，与 DM 变化（ν−2 延迟）和跳变效应（频率无关）均不一致，表明存在复杂的色散机制。
• 脉冲轮廓在数月内逐渐恢复，至 2023 年 2 月已恢复至与事件前观测状态相似，但仍存在可测量的残差差异。
• 该事件与 PSR J1713+0747 中此前观测到的两次色散定时事件以及 PSR J1643−1224 中的一次事件相似，提示可能存在共同的物理起源。
• 由于该事件在时间上局域、具有频率依赖性且仅影响单一脉冲星，因此不太可能与引力波信号相关，原则上可被建模并从 PTA 数据集中减去。
• 本研究支持在轮廓层面直接使用先进的宽频带 TOA 似然方法对这类事件进行建模，可在不损害引力波探测灵敏度的前提下保持定时精度。