[论文解读] Developing a pulsar-based timescale

G. Hobbs, W. A. Coles+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2010

Geophysics and Sensor Technology参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于脉冲星的时标，利用毫秒脉冲星的精确脉冲到达时间，创建一种独立的、长期的时间标准，可免除地球原子钟误差的影响。通过分析在帕克斯天文台观测的19颗脉冲星之间的相关定时残差，该方法检测到TT(BIPM2010)相对于TT(TAI)的系统性偏差，揭示了30年间的漂移约20 μs，并验证了脉冲星时标作为稳定、独立参考的可靠性，未来可能在数十年间提升原子时的精度。

ABSTRACT

We show how pulsar observations may be used to construct a time standard that is independent of terrestrial time standards. The pulsar time scale provides a method to determine the stability of terrestrial time standards over years to decades. Here, we summarise the method, provide initial results and discuss the possibilities and limitations of our pulsar time scale.

研究动机与目标

• 通过脉冲星观测开发一种独立于地球原子钟的时间标准。
• 通过与基于脉冲星的时标比较，检测并量化TT(BIPM2010)中的长期不稳定性。
• 评估脉冲星定时作为地球时标长期参考的稳定性和可靠性。
• 评估脉冲星定时阵列检测原子时实现中误差的潜力。
• 利用天体钟提供TT(BIPM2010)的新独立验证。

提出的方法

• 通过将观测到的脉冲到达时间与旋转星历表模型的预测值进行比较，计算脉冲星定时残差。
• 利用多颗脉冲星之间的相关定时残差，检测地球时标中的系统性误差。
• 通过计算脉冲星残差的加权平均，形成复合脉冲星时标TT(PSR)，并对TT(TAI)进行校正。
• 从残差中去除二次项趋势，以分离长期漂移并提高稳定性。
• 使用19颗毫秒脉冲星在帕克斯射电望远镜上30年（1979–2010年）的观测数据，构建该时标。
• 将所得脉冲星时标与TT(BIPM2010)和TT(TAI)进行比较，以检测差异并验证其稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲星定时残差能否检测到如TT(BIPM2010)这类地球时标中的长期漂移？
• RQ2 基于脉冲星的时标在数十年间与原子时标的稳定性相比如何？
• RQ3 脉冲星中相关定时残差在多大程度上是由地球时标实现误差引起，而非天体物理效应？
• RQ4 基于脉冲星的时标能否作为独立参考，用于验证或改进原子时的确定？
• RQ5 时间传递误差和引力波信号对构建基于脉冲星的时标有何影响？

主要发现

• 基于脉冲星的时标TT(PSR)相对于TT(TAI)在30年内表现出约20 μs的漂移，与TT(TAI)和TT(BIPM2010)之间已知的偏移一致。
• 脉冲星时标在长期趋势和短期偏差（特别是1997年前后及近期线性漂移）方面与TT(BIPM2010)高度一致。
• 在1996至1998年间，TT(BIPM2010)与脉冲星时标之间观察到约10–20 ns的边缘显著差异，表明TT(BIPM2010)中可能存在残留误差。
• 该方法成功分离并消除了由地球时标误差引起的关联定时残差，验证了脉冲星作为独立时间参考的适用性。
• PSR B1855+09的稳定性随时间持续改善，使其成为长期时间保持的有前途候选者。
• 结果表明，未来脉冲星定时精度的提升及全球数据的整合，可能使基于脉冲星的时标在数十年间达到与甚至优于原子标准的稳定性。