[论文解读] The Role of FAST in Pulsar Timing Arrays

G. Hobbs, Shi Dai+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2014

Geophysics and Gravity Measurements被引用 12

一句话总结

本文评估了五百米口径球面射电望远镜（FAST）作为脉冲星计时阵列（PTA）变革性仪器的潜力，证明其有望实现对超低频引力波的首次直接探测，提升基于脉冲星的时间标准，并优化太阳系星历表。FAST卓越的灵敏度将提升已知脉冲星的计时精度并发现更多新脉冲星，但抖动噪声和计时噪声被识别为长期PTA实验的主要限制性噪声源。

ABSTRACT

The Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST) will become one of the world-leading telescopes for pulsar timing array (PTA) research. The primary goals for PTAs are to detect (and subsequently study) ultra-low-frequency gravitational waves, to develop a pulsar-based time standard and to improve solar system planetary ephemerides. FAST will have the sensitivity to observe known pulsars with significantly improved signal-to-noise ratios and will discover a large number of currently unknown pulsars. We describe how FAST will contribute to PTA research and show that jitter- and timing-noise will be the limiting noise processes for FAST data sets. Jitter noise will limit the timing precision achievable over data spans of a few years while timing noise will limit the precision achievable over many years.

研究动机与目标

• 评估FAST在探测超低频引力波方面推动脉冲星计时阵列（PTA）研究的潜力。
• 评估FAST的灵敏度与孔径尺寸如何提升已知脉冲星的计时精度，并实现新脉冲星的发现。
• 识别并分析主导噪声过程——抖动噪声与计时噪声——对使用FAST的未来PTA实验性能的限制。
• 概述将FAST整合入国际脉冲星计时阵列（IPTA）及未来SKA时代PTA合作项目所带来的重要科学效益。
• 指导基于FAST的PTA项目最优观测策略与数据管理协议的设计。

提出的方法

• 利用现有的脉冲星计时框架，对FAST观测脉冲星的预期计时残差与信噪比进行建模。
• 分析望远镜灵敏度与有效孔径面积对计时残差中引力波信号检测的影响。
• 识别抖动噪声为短期主要限制因素（在数年基线内），计时噪声为长期约束因素（在多年基线内）。
• 评估将FAST数据与来自帕克斯、阿雷西博及其他望远镜的现有IPTA数据集集成的可行性，以增强探测灵敏度。
• 评估FAST数据与现有软件工具（如tempo2）的兼容性，特别是用于与EPM太阳系星历表的结合使用。
• 提出一种最优观测策略，综合考虑全球PTA基础设施，包括LOFAR、MWA以及未来的SKA望远镜。

实验结果

研究问题

• RQ1 抖动噪声将如何影响FAST在700 MHz至3 GHz观测频段内的计时精度？其是否为全频段噪声？
• RQ2 计时噪声能否被建模为简单的红噪声过程？其功率是否会随数据段长度增加而无限增长，还是趋于饱和？
• RQ3 脉冲星自转参数与内在计时噪声水平之间是否存在相关性？
• RQ4 能否通过脉冲轮廓状态分析或其他校正技术减轻计时噪声的影响？
• RQ5 在与其他全球PTA望远镜协同观测时，FAST的最优观测策略是什么，以最大化引力波探测灵敏度？

主要发现

• FAST巨大的收集面积将显著提升已知脉冲星的信噪比，从而实现更高精度的计时测量。
• 由于其高灵敏度，FAST预计将发现大量此前未被探测到的脉冲星，尤其是毫秒脉冲星。
• 抖动噪声被确定为在数年数据跨度内限制计时精度的主要因素。
• 计时噪声预计将成为长期PTA实验的主要限制，尤其在数据跨度超过数年时。
• 将FAST数据与现有IPTA数据集集成，将极大提升对超低频引力波背景的探测灵敏度。
• 将FAST纳入全球PTA工作将推动广义相对论的检验、提升地球时间标准，并优化太阳系星历表。