[论文解读] Gravitational Waves, Extreme Astrophysics, and Fundamental Physics with Precision Pulsar Timing

J. M. Cordes, M. A. McLaughlin|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 50被引用 5

一句话总结

本文提出利用毫秒脉冲星作为宇宙时钟，通过高精度脉冲星计时探测纳赫兹引力波，这些引力波源自超大质量双黑洞系统，并用于检验基础物理。在数十年间实现低至116纳秒的计时残差，证明了利用脉冲星时标阵列探测引力波，并对暗物质、光子质量及宇宙弦进行约束的可行性。

ABSTRACT

Precision pulsar timing at the level of tens to hundreds of nanoseconds allows detection of nanohertz gravitational waves (GWs) from supermassive binary black holes (SMBBHs) at the cores of merging galaxies and, potentially, from exotic sources such as cosmic strings. The same timing data used for GW astronomy also yield precision masses of neutron stars orbiting other compact objects, constraints on the equation of state of nuclear matter, and precision tests of General Relativity, the Strong Equivalence Principle, and alternative theories of gravity. Timing can also lead to stringent constraints on the photon mass and on changes in fundamental constants and could reveal low mass objects (rogue planets, dark matter clumps) that traverse pulsar lines of sight. Data sets also allow modeling of the density, magnetic field, and turbulence in the interstellar plasma. Roughly 100 millisecond pulsars (MSPs) are currently being timed at $\sim$GHz frequencies using the largest radio telescopes in the world. These data sets currently represent ~1000 pulsar-years and will increase dramatically over the next decade. These topics are presented as a program of key science with flowdown technical requirements for achieving the science.

研究动机与目标

• 通过长期脉冲星时标阵列实现对超大质量双黑洞系统产生的纳赫兹引力波背景的探测。
• 通过精确计时相对论性双星脉冲星，检验广义相对论及其它引力理论。
• 通过计时残差约束光子质量、基本常数的变化以及低质量暗物质团块的存在。
• 通过延长数据跨度、增加望远镜集光面积以及提升观测频次，提高对引力波背景的探测灵敏度。
• 通过将高精度计时的毫秒脉冲星数量扩展至至少200颗，实现均匀的全天覆盖并提升灵敏度。

提出的方法

• 利用大型射电望远镜（如阿雷西博、格林班克望远镜）在GHz频段对毫秒脉冲星进行长基线计时，实现亚100纳秒的计时残差。
• 构建综合计时模型，包含脉冲星自转、位置、自行、视 parallax、双星运动以及星际色散延迟等因素。
• 对脉冲星双星对之间的计时残差实施角度相关性分析，以探测广义相对论预测的随机引力波背景。
• 实施先进的噪声建模，将天体物理效应（如自转抖动、色散性星际延迟）与引力波信号分离。
• 通过改进仪器（如更高动态范围的ADC、更优的偏振校准）以及在RFI抑制和ISM延迟校正方面的算法进步，提升TOA精度。
• 整合改进的太阳系星历表与基于VLBI的距离测量，以减少质心参考系误差，提升引力波探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用当前及未来数据跨度的脉冲星时标阵列探测到由超大质量双黑洞并合产生的纳赫兹引力波背景？
• RQ2 毫秒脉冲星的计时残差在多大程度上可约束光子质量与基本常数的变化？
• RQ3 脉冲星时标阵列在多大程度上可通过脉冲到达时间中的瞬态扰动探测到低质量暗物质团块或宇宙弦？
• RQ4 为实现对随机引力波背景的全天空灵敏度，望远镜集光面积、观测频次及脉冲星数量需提升至何种程度？
• RQ5 长数据集如何将太阳系星历误差与引力波信号解耦，从而显著提升对随机背景的探测能力？

主要发现

• 毫秒脉冲星J1713+0747在十年间实现了116纳秒的RMS计时残差，展现出极高的稳定性，适用于引力波探测。
• 在当前仪器条件下，数十年间实现100纳秒以下的计时残差是可行的，可探测到频率约为10⁻⁹ Hz、应变低至10⁻¹⁵的引力波。
• 脉冲星时标阵列对引力波的灵敏度与观测时间的平方根成正比，且随脉冲星数量线性增加，而天空覆盖缺口可使灵敏度降低最多七倍。
• 更长的数据集（>20年）可将太阳系星历误差与引力波信号有效解耦，显著提升对随机背景的探测前景。
• 将望远镜灵敏度提升两倍，将显著改善目前大多数已计时脉冲星的TOA精度，并可启用更多信号源。
• 结合VLBI测量的双星脉冲星距离与盖亚光学数据，可提升质心校正精度，使未来银河系尺度引力波光学干涉仪的灵敏度提升√2倍。