[论文解读] Observing Radio Pulsars in the Galactic Centre with the Square Kilometre Array

Ralph P. Eatough, T. Joseph W. Lazio+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 7

一句话总结

本文提出利用平方公里阵列（SKA）探测并测量绕银河系中心人马座A*运行的射电脉冲星的到达时间，从而在强引力场中对广义相对论进行前所未有的检验。通过利用SKA的高灵敏度和时间测量精度，该研究证明，轨道周期小于1年的脉冲星可实现对参考系拖曳效应和黑洞四极矩的直接测量，从而检验无毛定理和宇宙监督猜想。

ABSTRACT

The discovery and timing of radio pulsars within the Galactic centre is a fundamental aspect of the SKA Science Case, responding to the topic of "Strong Field Tests of Gravity with Pulsars and Black Holes" (Kramer et al. 2004; Cordes et al. 2004). Pulsars have in many ways proven to be excellent tools for testing the General theory of Relativity and alternative gravity theories (see Wex (2014) for a recent review). Timing a pulsar in orbit around a companion, provides a unique way of probing the relativistic dynamics and spacetime of such a system. The strictest tests of gravity, in strong field conditions, are expected to come from a pulsar orbiting a black hole. In this sense, a pulsar in a close orbit ($P_{ m orb}$ < 1 yr) around our nearest supermassive black hole candidate, Sagittarius A* - at a distance of ~8.3 kpc in the Galactic centre (Gillessen et al. 2009a) - would be the ideal tool. Given the size of the orbit and the relativistic effects associated with it, even a slowly spinning pulsar would allow the black hole spacetime to be explored in great detail (Liu et al. 2012). For example, measurement of the frame dragging caused by the rotation of the supermassive black hole, would allow a test of the "cosmic censorship conjecture." The "no-hair theorem" can be tested by measuring the quadrupole moment of the black hole. These are two of the prime examples for the fundamental studies of gravity one could do with a pulsar around Sagittarius A*. As will be shown here, SKA1-MID and ultimately the SKA will provide the opportunity to begin to find and time the pulsars in this extreme environment.

研究动机与目标

• 通过在银河系中心超大质量黑洞人马座A*周围轨道上运行的脉冲星，实现引力的强场检验。
• 通过脉冲星计时实现亚微角秒级空间定位和比当前红外天体测量（如GRAVITY或极大望远镜）高三个数量级的精度，以克服红外天体测量的局限性。
• 识别并表征银河系中心的射电脉冲星，包括轨道周期短和间歇性辐射的脉冲星，以探测超大质量黑洞附近的时空动力学。
• 评估SKA1-MID及未来SKA配置对脉冲星的可探测性，考虑色散、散射和谱性状的影响。
• 开发结合周期性搜索与瞬变信号检测方法的搜索策略，以最大化探测具有极端相对论效应脉冲星的潜力。

提出的方法

• 使用去色散、轨道去调制（包括加速度搜索近似）和傅里叶分析进行周期性搜索，以探测轨道周期小于1年的脉冲星。
• 实施瞬变信号和单脉冲检测算法，以识别间歇性脉冲星，包括发射巨脉冲或纳巨脉冲、亮度温度高达10^38 K的脉冲星。
• 基于最小可探测通量密度（公式5.1）构建灵敏度曲线，考虑带宽（Δν = 1.4–9.2 GHz）、系统温度（T_sys = 27 K）和谱指数（α = -1.7），适用于SKA1-MID第3–5频段及在9 GHz频率下工作的GBT。
• 利用磁星PSR J1745−2900的测量结果，对银河系中心视线方向的脉冲展宽（τ_s）进行建模，以考虑散射效应。
• 采用功率谱的非相干组合方法以提高灵敏度，尤其适用于弱信号或间歇性信号。
• 规划多频段长期计时观测计划，以优化计时精度，同时考虑脉冲宽度、通量密度和散射效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA能否探测到轨道周期低于1年的银河系中心射电脉冲星，特别是那些靠近人马座A*的脉冲星？
• RQ2 与当前红外天体测量（如GRAVITY或极大望远镜）相比，脉冲星计时在空间定位和动力学测量方面能实现多高的精度？
• RQ3 参考系拖曳和测地线进动等相对论效应如何影响通过周期性搜索和单脉冲搜索探测脉冲星的能力？
• RQ4 SKA1-MID及未来SKA配置对具有不同谱指数、通量密度和散射环境的脉冲星的灵敏度如何？
• RQ5 探测到间歇性或巨脉冲发射的脉冲星是否能显著提高银河系中心的探测效率？

主要发现

• SKA，特别是SKA1-MID，能够探测到轨道周期短至100小时的银河系中心脉冲星，从而实现引力的强场检验。
• SKA的脉冲星计时可实现低于0.2微角秒（0.1光秒）的空间定位精度，比目前最佳红外干涉测量（10微角秒）高出三个数量级。
• 轨道周期小于1年的脉冲星将使参考系拖曳效应（由黑洞自旋引起）的直接测量成为可能，从而为宇宙监督猜想提供检验。
• 通过脉冲星计时可测量人马座A*的四极矩，从而对黑洞无毛定理进行检验。
• 单脉冲和瞬变信号检测方法对识别脉冲束因进动而暂时脱离视线的间歇性脉冲星至关重要，如赫尔斯-泰勒双星系统所示。
• 灵敏度曲线表明，谱指数较平坦（优于ν^−1.7）的脉冲星，或通过多次观测非相干积分检测的脉冲星，将更容易被探测到。