[论文解读] The GMRT High Resolution Southern Sky Survey for pulsars and transients -- III: searching for long period pulsars

Shubham Singh, Jayanta Roy+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 32被引用 19

一句话总结

本论文提出了一种使用RIPTIDE进行高灵敏度FFA（快速折叠算法）搜索的流水线，用于在GMRT高分辨率南天区（GHRSS）巡天数据中探测长周期脉冲星，其在真实射电望远镜噪声条件下，性能显著优于传统的基于FFT的谐波求和搜索方法。该方法成功重新检测到43颗已知脉冲星，并发现了两颗新脉冲星，包括一颗1.1秒周期、低占空比的脉冲星，该脉冲星曾被FFT搜索遗漏，显著提升了接近脉冲星死亡线区域的探测灵敏度。

ABSTRACT

Searching for periodic non-accelerated signals in presence of ideal white noise using the fully phase-coherent Fast Folding Algorithm (FFA) is theoretically established as a more sensitive search method than the Fast Fourier Transform (FFT) search with incoherent harmonic summing. In this paper, we present a comparison of the performance of an FFA search implementation using RIPTIDE and an FFT search implementation using PRESTO, over a range of signal parameters with white noise and with real telescope noise from the GHRSS survey with the uGMRT. We find that FFA search with appropriate de-reddening of time series, performs better than FFT search with spectral whitening for long period pulsars in real GHRSS noise conditions. We describe an FFA search pipeline implemented for the GHRSS survey looking for pulsars over a period range of 0.1 s to 100 s and up to dispersion measure of 500 pc cm$^{-3}$. We processed GHRSS survey data covering $\sim$ 1500 degree$^2$ of the sky with this pipeline. We re-detected 43 known pulsars with better signal-to-noise in the FFA search than in the FFT search. We also report discovery of two new pulsars including a long period pulsar having a short duty-cycle with this FFA search pipeline. The population of long period pulsars with periods of several seconds or higher can help to constrain the pulsar death-line.

研究动机与目标

• 为提升GHRSS巡天中长周期脉冲星（P > 1 s）的探测灵敏度，以应对观测与算法偏差导致的代表性不足问题。
• 检验理论上更优的FFA搜索方法是否在存在红噪声和RFI的真实噪声条件下，仍能保持对FFT搜索的优势。
• 开发并优化基于FFA的流水线，利用RIPTIDE软件包，实现对周期0.1 s至100 s、色散量DM高达500 pc cm⁻³的脉冲星的探测。
• 通过识别接近理论射电辐射截止区域的源，重新评估长周期脉冲星群体，并约束脉冲星死亡线。

提出的方法

• 采用RIPTIDE软件包实现了完全相位相干的FFA搜索，该方法可高效地对时间序列在多个试验周期下进行相干折叠。
• 在折叠前对时间序列应用去红化处理，以校正色散量引起的展宽，从而提高信噪比。
• 采用不同宽度的矩形模板作为脉冲轮廓模型，以在保持对不同占空比敏感度的同时最小化计算成本。
• 应用滑动中位数减法以减轻时间序列中的红噪声，其性能优于FFT流水线（如PRESTO）中使用的频谱白化方法。
• 在模拟白噪声、真实GHRSS噪声以及模拟红噪声条件下，对FFA（RIPTIDE）与FFT（PRESTO）搜索进行了对比灵敏度分析。
• 根据相位-I（33 MHz带宽）与相位-II（200 MHz带宽）的红噪声特性差异，分别对搜索参数进行了优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在红噪声和RFI的真实GHRSS噪声条件下，FFA搜索方法是否比基于不相干谐波求和的FFT搜索具有更高的灵敏度？
• RQ2 在真实噪声条件下，FFA与FFT搜索的性能如何随脉冲星周期、占空比和脉冲形状而变化？
• RQ3 基于FFA的搜索能否探测到先前FFT搜索遗漏的长周期脉冲星（P > 1 s），特别是低占空比的脉冲星？
• RQ4 鉴于相位-I与相位-II具有不同的红噪声特性，其最优搜索周期范围分别是什么？
• RQ5 通过时域滑动中位数减法进行红噪声抑制，其在提升FFT搜索对长周期脉冲星灵敏度方面的效果，是否显著优于频谱白化方法？

主要发现

• 在真实噪声条件下，使用RIPTIDE的FFA搜索对43颗已知脉冲星的重新检测中，信噪比均高于采用8次谐波求和的FFT搜索，且该优势与占空比无关。
• FFA搜索成功发现了两颗新脉冲星，包括一颗1.1秒周期、占空比小于1%的脉冲星，该源在所有FFT搜索中均被遗漏，即使采用32次谐波求和也未能发现。
• 在真实GHRSS噪声中，由于红噪声的存在，FFT搜索对大占空比脉冲星的灵敏度未见提升，而FFA保持了在所有周期和占空比下的稳定灵敏度。
• GHRSS巡天对周期大于1秒、DM小于150 pc cm⁻³的脉冲星的灵敏度阈值低于0.15 mJy，且理论最小可探测流量随DM增加而上升。
• 相位-I与相位-II的GHRSS数据表现出显著不同的红噪声参数，因此优化后的搜索周期范围分别为：相位-I为0.5–100 s，相位-II为0.1–100 s。
• 经过一年处理，FFA流水线将GHRSS巡天中长周期脉冲星（P > 1 s）的数量从2颗增加至5颗，充分证明了其在探测脉冲星死亡线区域的有效性。