Инвариантность наблюдаемых состояний процесса периодического излучения пульсаров в четырехмерном пространстве-времени А.Е.Авраменко ПРАО АКЦ ФИАН КВНО-2013. - презентация

1 Инвариантность наблюдаемых состояний процесса периодического излучения пульсаров в четырехмерном пространстве-времени А.Е.Авраменко ПРАО АКЦ ФИАН КВНО-2013 ИПА РАН, 15 апреля

2 Какова реальная стабильность периодического излучения пульсаров – потенциальных кандидатов КВНО? «For a perfect model, the timing residuals would be dominated by measurement errors and have a white spectrum. Any features observed in the timing residuals indicate the presence of unmodelled effects which may include calibration errors, orbital companions or spin-down irregularities. There are two main types of irregularity, namely glitches which are sudden increases in rotation rate followed by a period of relaxation, and timing noise which consists of low frequency structure… …For a large number of pulsars, the timing residuals deviate by more than one pulse period. In these cases, phase jumps of at least one period need to be added to keep track of the pulsar spin-down». / Hobbs, A. G. Lyne and M. Kramer. An analysis of the timing irregularities for 366 pulsars, MNRAS, 402, (2010) / Observations were obtained using the 76-m Lovell radio telescope (Jodrell Bank Obs., UK) Оценки стабильности по существующим методикам основаны на статистическом анализе барицентрических остаточных уклонений – разности наблюдаемых и расчетных (О – С) моментов наблюдаемых событий (дисперсия Аллана, Z-статистика). В этих оценках обнаруживаются немоделируемые эффекты в наблюдаемых параметрах вращения пульсара, которые, и только они, реально определяют стабильность периодического излучения.

3 Диапазон немоделируемых шумов хронометрирования (timing noise) в остаточных уклонениях О – С: – микросекунды – у пульсаров с миллисекундным периодом – миллисекунды – у пульсаров с секундны м периодом Следствие: секундные пульсары по уровню немоделируемых шумов в остаточных уклонениях отнесены к заведомо менее стабильным, предпочтение априори отдано миллисекундным пульсарам – кандидатам КВНО. Е диницы наносекунд или лучше – уровень требований к взаимной синхронизации спутниковых шкал времени и точности определения местоположения КА Цель: Моделирование и исследование устойчивых закономерностей процесса периодического излучения пульсаров путем прямого сопоставления и синхронизации интервалов наблюдаемых событий излучения, определяемых согласованными на всей протяженности наблюдений параметрами вращения, тождественными в любой выбранной системе отсчета.

4

5 Моменты прихода импульсов (МПИ) и интервалы наблюдаемых событий излучения пульсара в метрике ОТО. Численные значения топоцентрических и барицентрических МПИ и интервалов определяются в метрике ОТО на основе численных планетных эфемерид Рассчитанные по эфемеридам МПИ и интервалы не содержат наблюдаемых признаков, подтверждающих их численную эквивалентность в указанных трехмерных системах отсчета. При определении МПИ (интервалов) в метрике ОТО параметры вращения пульсара не участвуют.

6 Время, релятивистские шкалы

7 Релятивистские шкалы в метрике ОТО

8

9 Метрика специальной теории относительности (СТО). Свойства. Пространство и время объединены четырехмерной геометрией, которая определяется инвариантным интервалом (1) во всех системах отсчета Одновременность событий (единое время) для всех точек трехмерного пространства в данной системе отсчета Физические уравнения во всех системах отсчета неизменны (инвариантны). Физические процессы, протекающие в этих системах при одинаковых условиях, тождественны.

10 Инвариантность интервалов излучения пульсара в координатных системах В результате координатных преобразований Лоренца интервал ы наблюдаемых событий, отсчитываемые по шкале уточненного местного времени, определяются параметрами вращения, одинаковыми в любой системе отсчета на совпадающие эпохи.

11 Интервалы наблюдаемых событий в метрике СТО Уравнения (2), (3) инвариантны в координатных системах. Решениями уравнений являются значения наблюдаемого периода и производной, которые определяют интервалы наблюдаемых событий, выраженные в метрике СТО Местное время в координатных системах выражается числом периодов событий излучения, попадающих в промежуток между эпохами от начального до текущего наблюдаемого события, определяемыми преобразованиями Лоренца.

12 Согласованность наблюдаемых параметров вращения на вековом масштабе Уравнение (1) имеет единственное решение, которым являются значение наблюдаемого периода на начальную эпоху и производная, величина которой постоянна на вековом масштабе Значения наблюдаемого периода и производной являются взаимно согласованными: такое и только такое сочетание численных величин параметров вращения определяет тождественность интервалов, преобразованных из метрики ОТО в метрику СТО

13 Тождественность наблюдаемого периода вращения в координатных системах Наблюдаемый период в барицентрической системе тот же, что и в топоцентрической системе на совпадающие эпохи местного времени в этих системах Обе наблюдательные системы эквивалентны. Численные значения периода и производной одинаковы в любой из них на совпадающие эпохи наблюдений. Тем самым подтверждается закон сохранения энергии вращения пульсара, независимо от выбора системы отсчета наблюдателя

14 Одинаковые интервалы событий излучения пульсара, вычисленные по планетным эфемеридам и по наблюдаемым параметрам вращения пульсара, на совпадающие эпохи координатного времени в выбранных системах отсчета – это прямое подтверждение метрической эквивалентности ОТО и СТО по наблюдениям периодического излучения пульсаров. Метрическая эквивалентность ОТО и СТО В результате синхронизации событий излучения, наблюдаемых в разных координатных системах, достигается прямое сопоставление интервалов событий, определяемых в любой системе отсчета одними и теми же наблюдаемыми параметрами вращения пульсаров

15 Временная и пространственная когерентность периодического излучения пульсара Согласованность параметров вращения на вековом масштабе и тождественность наблюдаемого периода в координатных системах свидетельствуют о временной и пространственной когерентности периодического излучения пульсара. Свойство когерентности означает, что события, наблюдаемые в любой координатной системе галактического пространства, синфазны с периодическим (во времени) и волновым (в пространстве) процессом излучения.

16 Калибровка измеряемых величин. Калибровка интервалов наблюдаемых событий излучения пульсара

17 Калибровка автоматически восстанавливает синфазность интервалов наблюдаемых событий по когерентному излучения пульсара, исключая тем самым влияние случайных вариаций МПИ. Относительная нестабильность интервалов не более на 40-летнем промежутке, что на 5-6 порядков меньше случайных вариаций МПИ и на 2-3 порядка лучше чем у атомных эталонов времени.. Посткалибровочные отклонения интервалов не связаны с параметрами вращения, в них выражены внешние факторы – погрешности атомной шкалы времени и планетных эфемерид. Калибровка интервалов по аналитической модели

18 Обнаружение и определение второй производной по аналитической модели интервалов Систематический вклад второй производной в наблюдаемые интервалы – всего около 1мкс в двухлетнем промежутке – находится много ниже порога обнаружения по остаточным уклонениям

19 Согласованность параметров вращения с магнитодипольной моделью Показатель торможения: Вторая производная, полученная по аналитической модели интервалов, исключает аномальные, в несколько порядков, отклонения и приводит наблюдаемые параметры вращения в соответствие с магнитодипольной моделью излучения для всех наблюдаемых пульсаров. G. Hobbs, A. G. Lyne and M. Kramer (2010): «The observed P2dot values for the majority of pulsars are not caused by magnetic dipole radiation or by any other systematic loss of rotational energy, but are dominated by the amount of timing noise present in the residuals and the data span». Вывод. Статистические модели хронометрирования неадекватны природной стабильности периодического излучения пульсаров и не могут приблизиться к точности аналитических моделей интервалов, определяемых согласованными параметрами вращения пульсаров, * G.B.Hobbs and R.N.Manchester. The ATNF Pulsar Catalogue

20 Параметры вращения пульсаров по наблюдениям на БСА ФИАН, Пущино (Авраменко, Лосовский, 2011) Согласованные параметры вращения секундных пульсаров определяют интервалы когерентного излучения с субнаносекундным разрешением и относительной погрешностью в пределах на 40-летней протяженности наблюдений. Они являются исходными для построения аналитических пульсарных шкал времени, которые на 2-3 порядка превосходят долговременную стабильность современных квантовых эталонов времени.

21 Перспектива пульсаров в основных приложениях КВНО 1.Пульсарные шкалы в координатных системах а. А.Е.Авраменко. Эталонная мера времени-пространства на основе периодического излучения пульсаров. //Измерительная техника С б. А.Е.Авраменко, А.Е.Родин. Способ синхронизации атомных часов по наблюдаемым на радиотелескопе импульсам пульсара. Патент RU C1, Бюлл. 3, Пульсарные шкалы в определении расхождений UT1-UTC(SU) а. А.Е. Авраменко. Синтез пульсарных шкал всемирного времени. //Измерительная техника С б. А.Е.Авраменко. Способ определения всемирного (универсального) времени по импульсам пульсара. Патент RU С1, Бюлл. 1, Навигация по пульсарам А.Е.Авраменко. Способ навигации космического аппарата по небесным источникам периодического излучения. Патент RU С1, Бюлл. 17, 2012.