Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 

На первую страницу << 5.5. Динамические шкалы времени | Оглавление | 5.7. Системы счета дней >>


5.6. Пульсарная шкала времени

Еще одной динамической шкалой времени является пульсарная шкала времени. В основе этой шкалы лежит строгая периодичность излучения уникальных объектов природы - пульсаров.

Открытие пульсаров, сделанное в 1967 г. группой кембриджских радиоастрономов под руководством Э.Хьюиша, отмечено Нобелевской премией по физике. Необычные свойства пульсаров стимулировали не только работы в теоретической области, но и экспериментальные методы исследования пульсаров. Это привело к быстрому накоплению наблюдательных данных и появлению многочисленных теорий, объясняющих свойства пульсаров. В результате поиска, организованного на телескопах всего мира, в настоящее время известны более тысячи пульсаров.

Согласно современным представлениям, пульсары - это нейтронные звезды, образовавшиеся в результате гравитационного коллапса звезд с массой порядка массы Солнца ( ). При коллапсе возникает компактная (при массе диаметр равен км), быстровращающаяся звезда. Плотность вещества внутри таких звезд достигает . При такой плотности звезда представляет собой как бы одно громадное атомное ядро, состоящее из смеси устойчивых нейтронов и электронов.

Периодичность радиоизлучения пульсаров связана с быстрым вращением нейтронных звезд (периоды известных пульсаров лежат в интервале от нескольких миллисекунд до с), т.е. пульсары делают от нескольких сотен до долей оборота в секунду. Считается, что нейтронные звезды имеют сильное дипольное магнитное поле с магнитной осью, не совпадающей с осью вращения звезды. В области магнитных полюсов происходит истечение заряженных частиц, которые в магнитном поле звезды излучают либо в пределах узкого конуса (карандашная диаграмма направленности вдоль магнитной оси), либо веером, перпендикулярно магнитной оси (ножевая диаграмма) (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Схема излучения пульсара

При вращении звезды наблюдатель, периодически попадающий внутрь направленного пучка радиоволн, будет фиксировать импульсное излучение с периодом вращения звезды. Потери энергии, вызванные радиоизлучением, приводят к уменьшению скорости вращения звезды и увеличению периода пульсара. Из-за огромного углового момента пульсара наблюдаемая скорость изменения периода очень мала и составляет около за 1 с.

Таким образом пульсары удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к стандартам частоты. Для построения шкалы времени, основанной на периодическом приходе излучения пульсаров, остается определить моменты прихода импульсов по наземным часам. Тогда пульсарная шкала времени будет реализована в виде поправок к показаниям этих часов.

Определение эпохи прибытия отдельного импульса называется хронометрированием пульсаров или пульсарным таймингом . Точность определения моментов прихода импульсов является высокой (для пульсара PSR1937+21 мкс). Время прихода импульса зависит от множества причин: от положения и собственного движения пульсара на небесной сфере, от орбитального и вращательного движения Земли, от гравитационного потенциала тел солнечной системы в точке наблюдения и скорости наблюдателя. Если пульсар является одной из звезд в двойной системе, то при вычислении моментов прихода импульсов необходимо учесть параметры его орбиты. Для ближайших пульсаров необходимо знать параллаксы (или расстояния), так как при движении Земли по орбите расстояния будут меняться с годичным периодом. Включение расстояния до пульсара в модель вычисления моментов прихода импульсов важно и по причине явления, называемого межзвездной дисперсией.

На рис. 5.14 показаны сигналы от пульсара PSR0329+54, который наблюдался на радиотелескопе РТ-64 в Калязине на разных частотах.

Рис. 5.14. Сигналы от пульсара PSR0329+54, полученные на радиотелескопе РТ-64 в Калязине на частотах 1400 МГц (зеленая линия) и 600 МГц (черная линия). Период пульсара равен 714 мс. В верхней части рисунка сигналы показаны в увеличенном масштабе. (С разрешения Ю.П.Илясова)

Задержка импульсов одной последовательности относительно другой вызвана дисперсией радиосигнала - разной фазовой скоростью радиоволн разных частот в ионизованной межзвездной среде. Так как величина дисперсии зависит от расстояния до пульсара, то она должна быть известна заранее, до начала хронометрирования. Межзвездная дисперсия аналогична дисперсии радиоволн в ионосфере Земли; учет этого эффекта будет рассмотрен позже при изучении радиорефракции.

Из рисунка видно, что импульсы имеют сложное строение; их амплитуда и форма изменяется в широких пределах. Однако форма среднего или суммарного импульса, который получается при сложении многих импульсов синхронно с периодом пульсара, очень стабильна и индивидуальна для каждого пульсара. При подобном усреднении увеличивается отношение сигнал-шум, что необходимо, так как пульсары являются слабыми источниками радиоизлучения. В качестве примера на рис. 5.15 показаны средние импульсы от пульсаров PSR0329+54 и PSR0613-02, полученные в Калязине (частота наблюдений равна 600 МГц).

Рис. 5.15. Профили средних импульсов пульсаров PSR0329+54 и PSR0613-02. (С разрешения Ю.П.Илясова)

Период первого пульсара равен 714 мс, второго - 3,06 мс. Пульсар PSR0329+54 является одним из самых мощных (поток ян)5.6. Поэтому время накопления для получения среднего импульса равнялось 3 мин, т.е. было сложено импульсов. Пульсар PSR0613-02 имеет поток ян. Для получения высокого отношения сигнал-шум потребовалось накапливать сигнал 2 часа, т.е. сложить миллиона импульсов.

При сложении импульсов необходимо учесть межзвездную дисперсию. Так как на разных частотах задержка импульса различна, то прием ведется в узких частотных каналах (на рис. 5.15 по оси абсцисс отложены номера каналов). ЭВМ при помощи специальной программы компенсирует дисперсионную задержку в каждом канале и суммирует импульсы синхронно с периодом пульсара. После суммирования и определения средней формы импульса вычисляется момент его прихода по показаниям наземного стандарта частоты. Это делается путем вписывания в средний импульс эталонного профиля и вычисления максимума корреляционной функции.

Преобразование момента прихода среднего импульса из шкалы местного стандарта частоты в шкалу TAI выполняется с учетом сличения показаний стандарта со шкалой UTC и затем добавлением целого числа секунд  (5.66). Переход из шкалы TAI к одной из шкал барицентрического времени описан выше. В результате вычисляется момент прихода импульса в шкале барицентрического времени TDB или TCB в точку с барицентрическими координатами , где находится наблюдатель.

Если наблюдателя поместить теперь в барицентр солнечной системы, то по моменту прихода импульса он может вычислить его номер:

(5.72)

где , - начальная эпоха наблюдения, определяемая из каталога пульсаров, - время прихода импульса в барицентр солнечной системы в шкале барицентрического времени TDB или TCB, - частота вращения пульсара и ее производные по времени на эпоху (эти значения берутся из каталога).

Момент прихода импульса в барицентр связан с моментом прихода в точку, радиус-вектор которой равен , соотношением:

(5.73)

где - единичный вектор в направлении пульсара в момент , , . Радиус-вектор планеты солнечной системы должен быть вычислен в момент наибольшего сближения траектории радиосигнала с планетой:

- задержки из-за дисперсии радиосигнала в межзвездной среде и ионосфере Земли, - задержка в тропосфере Земли.

Первый член в (5.73) называется задержкой Ремера, второй член вызван сферичностью фронта волны, приходящей от пульсара, расположенного на расстоянии от наблюдателя, и третий член называется гравитационной задержкой или задержкой Шапиро, которая объясняется искривлением траектории радиосигнала в гравитационном поле солнечной системы.

Формула (5.72) устанавливает взаимную и однозначную связь между номером импульса и временем прихода его в барицентр . Поэтому выражение (5.72) может быть названо определением пульсарной шкалы времени. Ход этой шкалы относительно местного стандарта частоты может быть определен сравнением моментов времени , получаемых по формулам (5.72) и (5.73). На рис. 5.8 показана нестабильность шкалы времени, которая определяется вращением пульсара PSR1937+21. Ожидается, что использование пульсаров в двойных системах позволит реализовать шкалы времени, более стабильные на длительных интервалах (от двух до нескольких лет), чем шкала TAI.

После краткого изложения метода пульсарного хронометрирования рассмотрим какие еще задачи могут быть решены с его помощью. Как уже говорилось, на моменты прихода импульсов влияют множество причин, среди которых выделим изменение положения и собственного движения пульсара и наблюдателя, гравитационного потенциала тел Солнечной системы в точке наблюдения и гравитационной задержки сигнала. Последние два эффекта учитываются на основе эфемерид тел Солнечной системы. Поэтому данные пульсарного хронометрирования могут быть использованы для изучения связи различных эфемерид друг с другом.

К сожалению в ближайшем будущем подобный анализ не приведет к улучшению эфемерид. Наиболее подходящий для этих целей пульсар имеет шум хронометрирования мкс, что эквивалентно ошибке в положении наблюдателя, равной м. Для сравнения укажем, что результаты определения расстояний Земля - Марс, Земля - Венера во время межпланетных миссий космических аппаратов имеют погрешность м, а расстояние до Луны измеряется в настоящее время с ошибкой в несколько сантиметров.

Одно из главных преимуществ пульсарного хронометрирования заключается в возможности точного определения ориентации осей динамических систем отсчета, определяемых эфемеридами, относительно друг друга и относительно кинематической системы отсчета. Эта ориентация плохо определяется современными методами, которые основываются на измерении топоцентрических расстояний до тел солнечной системы на базах, длина которых сравнима с радиусом Земли. Пульсарные измерения позволяют использовать базы с длиной а.е. и, следовательно, имеют потенциальную точность мс дуги. Однако для достижения подобной точности координаты пульсаров должны быть известны с аналогичной точностью до пульсарного хронометрирования. Для решения этой используются РСДБ наблюдения пульсаров, которые в настоящее время регулярно выполняются на базе Калязин (Россия) - Кашима (Япония).



<< 5.5. Динамические шкалы времени | Оглавление | 5.7. Системы счета дней >>

Публикации с ключевыми словами: астрометрия - сферическая астрономия - системы координат - шкалы времени
Публикации со словами: астрометрия - сферическая астрономия - системы координат - шкалы времени
См. также:
Все публикации на ту же тему >>

Мнения читателей [12]
Оценка: 3.5 [голосов: 292]
 
О рейтинге
Версия для печати Распечатать

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце


Астронет | Научная сеть | ГАИШ МГУ | Поиск по МГУ | О проекте | Авторам

Комментарии, вопросы? Пишите: info@astronet.ru или сюда

Rambler's Top100 Яндекс цитирования