脉冲星观测技术与搜寻

1/118脉冲星观测技术和搜寻2/118思考题/提纲脉冲星信号发射时的特征是什么？脉冲星信号传播过程中有那些改变？脉冲星观测可以用什么样的望远镜？脉冲星观测和搜寻的关键技术点是什么？脉冲星搜寻中选择效应过去脉冲星发现和搜寻结果脉冲双星系统的搜寻特殊目标的脉冲星搜寻将来脉冲星搜寻的主要任务3MilkyWayinSky0329中子星半径仅10公里，有极强的磁场108-14G，极高的密度1014g/cm3.它们旋转，产生脉冲，成为脉冲星！4恒星由气体收缩形成，核合成放出能量，完结后爆炸！超新星爆炸中子星黑洞红巨星超新星爆炸后留下：超新星遗迹，和中子星或黑洞！中子星半径仅10公里，有极强的磁场108-14G，极高的密度1014g/cm3.它们旋转，产生脉冲，成为脉冲星！电磁波谱光学波长：几千埃(10-10m)电波：=1m=300MHz=1mm=300GHz•1054AD爆炸，中国史书记录完整，年龄可靠.•脉冲星周期33毫秒.•该脉冲星从射电到光学到高能，全波段辐射蟹状星云及其脉冲星(Abdoetal.2010)7银河系=恒星+星际介质+中子星+黑洞+暗物质Crab从射电到光学到X和γ，全波段辐射！讨论几个问题：1.不同波段周期及变化是否相同？2.不同波段的脉冲相位一样？3.不同波段的脉冲现状是否相同？4.那些波段受星际介质影响？8波形随频率变化:辐射频率与辐射高度有关Thorsett1991Phillips&Wolsczcan(1992)•宽度一般随频率减少.•低频在高处发出脉冲宽度观测频率9/118星际介质的色散：tieeeedtdmdtdm022Erv介质中电磁波传播的相速度为vp=c/n;但群速度为考虑电磁波在稀薄气体中传播时，电子被电磁波电场加速运动的方程为Er2emetiet)r(E),r(E0n个电子一起引起的偶极偏振电场：ErP22eemenen2e2e41men介电常数为共振频率为ε=02/1e2e)4(menp介质对电磁波的反射系数为2/122)1(pn)21()41(222/122eeeegmencmenccnv电磁波的传播延时为注意：与光速的差取决于ν2仅仅低频电磁波收星际介质影响！10方法：•将频段分为多个小频带•探测每个小频带的脉冲，然后相加。射电波段观测：色散要消除！11地球大气窗口射电窗口大气吸收率12Interstellarmedium:Clouds&large-scalestructure?ChandraXMMHSTVLT观测脉冲星的望远镜地面：射电+光学空间：红外+光学+紫外+X射线+γ射线13观测脉冲星的基本要求•因为脉冲星信号微弱，因此望远镜必须足够大，并且积分时间足够长，才能够收集足够多的光子！•因为要观测的是脉冲，必须有足够的时间分辨率采样。观测毫秒脉冲星，要微秒分辨！•因为有各种干扰和辐射背景，观测必须消除它们的影响！•发现一个脉冲星，必须有精确的位置，并与周边的目标明确区别！14几种望远镜和脉冲星观测成果举例•射电望远镜•红外、光学、紫外望远镜•X射线望远镜•γ射线望远镜15德国100米美国104米美国300米Arecibo我国500米口径球面射电望远镜FAST：2007批准投资6亿。2009开建，5年完成澳大利亚64米世界上的大射电望远镜16射电望远镜的组成框图射电望远镜-引论天线控制方位俯仰抛物面天线副反射面天线馈源和前端接收机数字后端观测者17不同形式的抛物面天线基本光路PrimefocusCassegrainOff-axisCassegrainNaysmithBeamwaveguideOffsetCassegrain=receiverParkes发现了已知2267颗脉冲星的2/3，包括双脉冲星，RRAT！首次测偏振，确定辐射来自磁极，RVM！18不同形式的抛物面天线基本光路PrimefocusCassegrainOff-axisCassegrainNaysmithBeamwaveguideOffsetCassegrain=receiver19Cassegrain和Gregorian光学系统20Cassegrain(卡塞格林)和Gregorian(格里高利)望远镜•优势：照明溢出少、照明效率高、馈源仓空间得到拓展；•劣势：较窄的照明角度导致馈源尺寸大、长度长。德国Effelsberg100米射电望远镜21不同形式的抛物面天线基本光路PrimefocusCassegrainOff-axisCassegrainNaysmithBeamwaveguideOffsetCassegrain=receiver发现质量最大的脉冲星！发现周期最短的脉冲星！22天线装配方式和指向与跟踪•赤道式：无盲区、波束不旋转、跟踪精度高；重力形变大、造价高•地平式：造价低、重力形变小；天顶盲区、波束旋转英国JodrellBank76米射电望远镜长期Timing了大量脉冲星。首次发现球状星团脉冲星。23美国Arecibo300米发现第一颗脉冲双星--诺贝尔奖！发现第一颗毫秒脉冲星！24Arecibo光路25国际新低频望远镜—LOFAR的天线LOwFrequencyArray荷兰主导LBA：10MHz~80MHzHBA：120MHz~240MHz无可匹敌的脉冲星低频观测能力！美国LWA项目26荷兰WesterborkSynthesisRadioTelescope（WSRT)•14面25m天线(4个可移动)•东西向排列•最长基线2.7km•300MHz–9GHz27印度GiantMetrewaveRadioTelescope150–1420MHz30×45米等效246米over25km！28光学、红外、紫外观测脉冲星–目前仅仅几颗年轻脉冲星–Crab脉冲星光脉冲探测和定位–Crab脉冲星光脉冲偏振–HST的脉冲图像–HST测脉冲星自行和激波！–2012年拍伴星光谱定最大质量脉冲星！HST连续高速摄影是必须的！29光学、红外、紫外观测脉冲星–仅仅几颗年轻脉冲星–Crab脉冲星光脉冲探测和定位–Crab脉冲星光脉冲偏振–HST的脉冲图像–HST测脉冲星自行和激波！–2012年拍伴星光谱定最大质量脉冲星！HSTX射线望远镜的脉冲星观测/导航？XMM-NewtonChandra~25PulsarsX-rayBinary12MagnetarsRXTESWIFT0.1-10keV7CCOsinSNRs注意：1.每秒钟每平方厘米有几个X射线光子？=请查找答案！2.每个光子的到达时间要改正卫星绕地球和地球绕太阳的几何轨道效应！γ射线望远镜见教材31页γ射线望远镜列表表3.2HESS2MAGIC地面Cerenkov望远镜VERITAS:Next-GenerationTeVObservatory之前感觉美国能够Comptonγ卫星天文台的EGRET很牛！测到7颗脉冲星γ射线望远镜Fermi--预想不到的牛技术关键点卫星记录的每个光子到达时间折算到太阳系质心，必须扣除所有运动项！难的是几年内把每个光子时间精度弄到亚微秒量级脉冲星周期：2.5ms轨道周期：93分钟总观测时间：1437天！搜寻办法：盲搜！36以射电为例！脉冲星搜寻的基本问题37射电望远镜的组成框图射电望远镜-引论天线控制方位俯仰抛物面天线副反射面天线馈源和前端接收机数字后端观测者38低噪声放大器滤波器本地振荡器可调滤波器1570MHz1420MHz可调本地振荡器~150MHz模数转换器ADC计算机++150MHz射电望远镜：超外差接收天线馈源天体信号1420MHz混频器~1MHz混频器中频信号滤波器滤波器39脉冲星的真实数据记录傅里叶变换，分析周期脉冲比较窄，谐波能量要联合检测41•脉冲信号波包因为星际介质而色散脉冲星在各个频率上同时辐射信号，但星际介质电离气体使低频信号延迟一些到达地球.脉冲星信号的特点消色散技术（也是排除干扰的方法）•脉冲星信号的周期和轮廓非常稳定单个脉冲变化但平均脉冲非常稳定，周期特别精确.用FFT找周期!42方法：•将频段分为多个小频带•探测每个小频带的脉冲，然后相加。色散要消除！43低噪声放大器滤波器本地振荡器可调滤波器1570MHz1420MHz可调本地振荡器~151MHz计算机++150MHz射电望远镜：超外差接收天线馈源天体信号1420MHz混频器中频信号滤波器模数转换器ADC混频器~1MHz滤波器模数转换器ADC混频器~1MHz滤波器模数转换器ADC混频器~1MHz滤波器~150MHz~149MHz44标准的脉冲星搜寻方法fromLorimer&Kramer45以射电为例！脉冲星搜寻的基本问题1.灵敏度：•望远镜增益和接收机噪声、•天空背景2.时间分辨率：•记录数据的快慢：采样率3.色散---射电波段：•不可忽略的星际介质效应•实际上还有散射效应的麻烦4.干扰硬盘要能够存储！数据总线速度匹配才行！目前还是受限！46射电望远镜的灵敏度•用最小可探测的射电源流量来表示。•最小可检流量Smin由系统噪声温度Tsys决定：这里，Tsys是整个射电望远镜系统的噪声温度，要折算到接收机之前。A是望远镜的孔径面积，ηA是天线效率，T是观测时间，B是信号接收带宽，nP是偏振通道数。pAsysTBnAkTS2min问题：如何提高望远镜的灵敏度？（即降低Fmin）提高灵敏度方法：1.提高天线效率；2.增大反射面口径；3.降低系统噪声；4.增加观测时间；5.增大接收机带宽；6.双偏振通道观测G=4A0/2=4/WA脉冲星探测的信噪比(04-24)wwPTBtnGSpsysPSRSNRminSNRSSPSR脉冲周期为P，但仅在w的时间内有信号，脉冲的信噪比为：bgaatmrcvrantsysTeTTTT)1(pAsysBtnAkTS2minwPwBtnAkTSpAsys2minkAGA2LAMBDA/Haslametal.(1982)/ATA/CGPS/Fomalont/Junkes/Hughes/DuncanRadioSkyat408MHzTheGBT350Survey已知脉冲星在银河系内的分布50RadioSkyat1.4GHzbyW.Reich脉冲星探测的灵敏度曲线对脉冲星周期敏感！对脉冲宽度敏感假设5%！每一通带DM导致的脉冲致宽敏感双偏振接收！Tsys尽量小G尽量大t尽量长采样时间：P/20222202scattDMsamptttWW52星际介质的脉冲散射特征•DM=dsneDispersionMeasure•EM=dsne2EmissionMeasure•RM=dsneB||RotationMeasure•SM=dsCn2ScatteringMeasureSpectrum=Cn2q-,q=wavenumber(temporalspectrumnotwellconstrained,relevantvelocities~10km/s)=11/3(Kolmogorovvalue)Scales~1000kmtopc530.431.181.482.4GHzMitra&Ramachandran(2001):4.4356.15)101.31(105.4DMDMsc星际介质散射和脉冲轮廓变宽Bhatetal.2004注意与ν-4有关！54/118脉冲星搜寻中选择效应•大DM的脉冲星受限–Channel内DM延迟没有清除•短周期的脉冲星受限(tsamp)•长周期脉冲星受限！•散射使大DM脉冲星轮廓延展(t~v-4)•宽的脉冲星不容易探测•大望远镜：beam小=天区范围限制！•双星轨道使脉冲周期变化，不能探测！wwPTtBNGsyspminS1222202scattDMsamptttWWParkesMultibeam巡天灵敏度曲线55真实数据的FFTFFT结果含有明显的因为系统限制而出现的红化噪声，必须归一化！56干扰问题•干扰不可避