Пульсарное время. Возможности реализации и практического применения. В.А.Потапов, В.В.Орешко Пущинская радиоастрономическая обсерватория ФИАН, г.Пущино. - презентация

1 Пульсарное время. Возможности реализации и практического применения. В.А.Потапов, В.В.Орешко Пущинская радиоастрономическая обсерватория ФИАН, г.Пущино. КВНО-2013, Санкт-Петербург

2 Содержание Развитие идеи использования периодического излучения пульсаров как хранителей времени и для синхронизации часов Какие пульсары и радиотелескопы нужны для прецизионного хронометрирования и реализации пульсарного времени Хронометрирование пульсаров в России и за рубежом. Области применения пульсарного времени. КВНО-2013, Санкт-Петербург

3 Развитие идеи Открытие радиопульсаров: Хьюиш & Белл Shostak A.A., US Pat Pulsar communication systemот с приоритетом от – первый патент по использованию пульсаров как хранителей времени Ильин В.Г. И др. (+7 соавт.) АС «Способ создания и хранения временных интервалов» от с приоритетом Илясов Ю.П. и др. (+3 соавт.) АС «Устройство синхронизации шкал времени по сигналам пульсаров» от 8 апреля 1991г. с приоритетом 4 июля 1988 г К настоящему моменту зарегистрированы сотни патентов по способам реализации PT, синхронизации наземных часов по пульсарам и космической навигации с использованием пульсаров Проблема использования пульсаров для хранения времени сформулирована Международным союзом электросвязи (ITU-R): ITU-R Doc. No. Q-ITU-R 205/ Предложение (вклад РФ) о применении пульсаров для хранения времени утверждено исследовательской комиссией ITU-R: ITU-R Docs. No. 7А/23-E, 7D/60-E Рекомендация (по представлению РФ и США) поддержать работы по PT и использовать крупные радиотелескопы для регулярных наблюдений (хронометрирования) ряда пульсаров: ITU-R Doc.7D/57-E КВНО-2013, Санкт-Петербург

4 Требования к современной (астрономической) шкале времени. Реализация на основе простых физических принципов, возможность адекватного аналитического описания Доступность Восстановимость шкалы Возможность установки нуль пункта, привязки к нему пользователей (локальных стандартов) Относительная нестабильность, на длительных временах, сравнимая с нестабильностью существующих реализаций шкал земного времени на многолетних интервалах: (PT-TT) < 10E-15 КВНО-2013, Санкт-Петербург

5 PT как современная реализация астрономического времени Физическая реализация: PT реализуется в виде последовательности остаточных уклонений моментов прихода импульсов пульсаров (ОУ МПИ) в точку наблюдения (PT - TT). В основе стабильности PT - стабильности вращения массивной нейтронной звезды вокруг своей оси. Аналитически описывается в рамках модели вращения пульсара и его движения в двойной системе (ок. 20 параметров), а также моделей движения наблюдателя в Солнечной системе (модель вращения Земли, динамические эфемериды движения Земли и планет) Доступность: Сигналы пульсаров доступны любым пользователям в любой точке Земли и околоземного космического пространства КВНО-2013, Санкт-Петербург

6 PT как современная реализация астрономического времени Восстановимость: Существующая точность определения параметров пульсаров и аналитической модели позволяет предсказывать время прихода их импульсов к земному наблюдателя с точностью, необходимой для поддержание шкалы, на временных интервалах в несколько десятков лет. Привязка: Особенно мощные одиночные (гигантские) импульсы пульсаров обладают уникальной микроструктурой, что позволяет идентифицировать каждый из них как синхроимпульс для привязки шкал времени. Стабильность: Относительная нестабильность составляет ~ 10E E-11 для секундных и ~ 10E E-14 для миллисекундных пульсаров на 10-летнем интервале. КВНО-2013, Санкт-Петербург

7 Выбор пульсаров для PT КВНО-2013, Санкт-Петербург - двойные пульсары, высокоэнергетические одиночные АХР

8 Выбор пульсаров для PT КВНО-2013, Санкт-Петербург

9 Функциональная схема пульсарного комплекса КВНО-2013, Санкт-Петербург

10 Оценка ошибки определения МПИ КВНО-2013, Санкт-Петербург где W – ширина импульса пульсара Р – период пульсара, S/N – отношение сигнал/шум S psr – спектральная плотность потока излучения пульсара A эф - эффективная площадь антенны f – регистрируемая полоса частот сигнала t инт. – время интегрирования сигнала T сист. – шумовая температура системы k - постоянная Больцмана Для наблюдаемого в северном полушарии мощного миллисекундного пульсара спектральная плотность потока на частоте 1,4 ГГц S=16 мЯн ( ВтГц -1 м -2 ), температура сигнала на выходе антенны с диаметром зеркала 64 м Т psr 9 мК. Для достижения отношения S/N > 100 требуется время накопления сигнала более 1 часа.

11 Теоретическая оценка оптимальных частот для хронометрирования пульсаров КВНО-2013, Санкт-Петербург Kramer, M., 2005

12 Хронометрирование миллисекундных пульсаров в России 1995 – тестовые наблюдения на 0.6 ГГц на 22м радиотелескопе (РТ-22) в Пущино – 1996 – первые наблюдения на 0.6 ГГц в Медвежьих озерах – 2007 – хронометрирование на 0.6 ГГц в Калязине на 64-м радиотелескопе (ТНА-1500 ОКБ МЭИ) – наблюдения не ведутся, разработка цифровых многоканальных приемников нового поколения (0.6, 1.4, 1.6, 2.2 GHz) КВНО-2013, Санкт-Петербург

13 64-м радиотелескоп в Калязине КВНО-2013, Санкт-Петербург

14 Наблюдения пульсара на комплексе АС-600 КВНО-2013, Санкт-Петербург

15

16 Хронометрирование пульсаров в мире. Пульсарные сети. КВНО-2013, Санкт-Петербург KPTA (Калязин, Россия), PPTA (Паркс, Австралия), EPTA (ЕС) Калязин: PSR J , J , J , J , J , J , B , J

17 Групповая шкала EPT, взвешенное среднее. Использованы 6 пульсаров, набл. В Калязине гг. Взвешенные по σ z осредненные на 30-дневном интервале данные. КВНО-2013, Санкт-Петербург

18 Оценка относительной нестабильности групповой шкалы по сравнению с атомными шкалами по наблюдениям в Калязине (взвешенное среднее, одночастотные наблюдения на 600 МГц в узкой полосе КВНО-2013, Санкт-Петербург

19 Широкополосные многочастотные наблюдения. Сравнение с атомными шкалами. КВНО-2013, Санкт-Петербург (Manchester, R., 2008)

20 Перспективы повышения точности PT «экстенсивным путем». КВНО-2013, Санкт-Петербург (Илясов Ю.П., 2009)

21 # NAME PSRJ P0 S400 S1400 S2000 BINARY (s) (mJy) (mJy) (mJy) (type) J J * DD 2 B J * * 3 J J * T2 4 J J * * 5 J J * ELL1 6 J J * 3.80 * BT 7 J J * BT 8 J J * T2 9 J J * T2 10 B J * BT2P 11 J J * DD 12 J J * 2.50 * T2 13 J J * T2 14 J J * 2.00 * DD 15 J J * T2 16 J J * 2.70 * * 17 J J * DD 18 J J * * 19 J J * * 20 B A J A * * 21 B J * T2 22 J J * 2.10 * T2 23 J J * 2.30 * ELL1 24 B J * * 25 J J * * 26 J J * BT 27 J J * * 28 J J * T2 29 J J * 4.10 * BT 30 J J * BT КВНО-2013, Санкт-Петербург

22 Возможность использования ГИ пульсаров для синхронизации локальных стандартов. ГИ PSR B Алгонкин парк – Калязин, (S-2, 2.2 МГц) CCF ГИ, наблюдавшихся на базе Алгонкин парк – Калязин. Ошибка в определении задержки ±5 нс. КВНО-2013, Санкт-Петербург (Попов М.В., Согласнов В.А. 2005)

23 Выводы КВНО-2013, Санкт-Петербург Пульсарная шкала времени является астрономической шкалой времени, основанной на хранителях вне Солнечной системы, точность которой сопоставима с точностью шкал атомного времени на интервалах в несколько лет, и потенциально превосходит их на интервалах более 10 лет Точность пульсарной шкалы может быть существенно (на порядок) повышена после введения в действие новых высокочувствительных радиотелескопов (SKA) и широкополосных многочастотных пульсарных комплексов, а также путем построения групповой шкалы пульсарного времени (см. доклад Родина А.Е.). Помимо формирования независимой пульсарной шкалы времени, высокоточное хронометрирование миллисекундных пульсаров позволяет уточнять эфемериды тел Солнечной системы, может быть использовано в навигации КА (см. доклад Родина А.Е.) и синхронизации шкал времени (ГИ).

24 Выводы В США, ЕС, Австралии на ряде крупных радиотелескопов ведется долговременное высокоточное хронометрирование пульсаров с целью формирования пульсарной шкалы времени. Результаты хронометрирования (ряды МПИ), как правило, закрыты для общего доступа. Для высокоточного хронометрирования пульсаров необходимы радиотелескопы дециметрового диапазона с высокой чувствительностью (А эф. > 1500 м 2 ) и специализированный широкополосный приемный комплекс. В настоящее время наблюдения пульсаров в РФ с целью построения пульсарной шкалы времени не проводятся. Целесообразно использовать для формирования пульсарной шкалы времени имеющиеся большие радиотелескопы (ТНА (ОКБ МЭИ, Калязин) или П-2500 (Уссурийск)). Предпочтительно создание нового специализированного радиотелескопа с эффективной площадью > 3000 м 2. КВНО-2013, Санкт-Петербург

25 БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ КВНО-2013, Санкт-Петербург