5颗导航用X射线脉冲星计时分析

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26588

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5颗导航用X射线脉冲星计时分析

闫林丽¹, 葛明玉²(), 庹攸隶², 周庆勇³^,⁴, 叶文韬², 郑世界², 韩大炜²

^1.安徽建筑大学数理学院，合肥　230601
^2.中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室，北京　100049
^3.西安测绘研究所，西安　710054
^4.地理信息工程国家重点实验室，西安　710054

收稿日期:2021-10-29 修回日期:2021-11-22 接受日期:2022-02-13 出版日期:2023-02-15 发布日期:2022-02-17
通讯作者: 葛明玉 E-mail:gemy@ihep.ac.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFA0718500);中国科学院“空间科学”战略性先导科技专项(XDA15020503);国家自然科学基金(11903001);安徽省高校自然科学研究项目—重点项目(KJ2019A0787);安徽建筑大学博士启动基金(2019QDZ14)

Timing analysis for five navigation X-ray pulsars

Linli YAN¹, Mingyu GE²(), Youli TUO², Qingyong ZHOU³^,⁴, Wentao YE², Shijie ZHENG², Dawei HAN²

^1.School of Mathematics and Physics，Anhui Jianzhu University，Hefei 　230601，China
^2.Key Laboratory of Particle Astrophysics，Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 　100049，China
^3.Xi’an Institute of Surveying and Mapping，Xi’an 　710054，China
^4.State Key Laboratory of Geographic Information Engineering，Xi’an 　710054，China

Received:2021-10-29 Revised:2021-11-22 Accepted:2022-02-13 Online:2023-02-15 Published:2022-02-17
Contact: Mingyu GE E-mail:gemy@ihep.ac.cn
Supported by:
National Key R&D Program of China(2021YFA0718500);Strategic Priority Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences(XDA15020503);National Natural Science Foundation of China(11903001);Key Project of Natural Science Research Project of Universities of Anhui Province(KJ2019A0787);Doctor Foundation of Anhui Jianzhu University(2019QDZ14)

摘要/Abstract

摘要：

脉冲星计时特性分析是开展脉冲星导航和脉冲星时研究的基础，为其提供了精确的脉冲星计时模型参数和辐射特征。本文在系统总结脉冲星计时分析方法的基础上，选择了当前导航中应用最广泛的5颗脉冲星，并利用国内外在轨X射线观测卫星的最新观测数据对其分析，包括：“慧眼”硬X射线调制解调望远镜（HXMT）针对Crab脉冲星和PSR B1509-58的观测，中子星内部结构探测器（NICER）针对PSRs J1821-2452A、J1939+2134和J0030+0451的观测。通过对“慧眼”HXMT和NICER在2017-2021年高精度计时观测数据的分析，获得了较长时间段内脉冲星最新状态的自转特性和物理信息，一方面给定了脉冲星最新的、覆盖时间长、自转参数精度较高的X射线星历，证明在X射线波段也可独立给出较高精度的星历；另一方面建立了它们清晰显著的积分脉冲轮廓，其中在选定的能量段范围内3颗毫秒脉冲星的轮廓是当前最精确的，可为脉冲星导航研究提供最新的标准模板。本文仅对脉冲星的X射线数据进行了分析，未来利用国内外多个望远镜，开展多波段联合计时分析，将是脉冲星计时研究的重要方向。

关键词: 脉冲星, 导航, X射线, 计时分析, 星历

Abstract:

The timing analysis of pulsars， the basis for pulsar navigation and pulsar time research， provides accurate timing model parameters and radiation information of the pulsar. This work provides a systematic summary of pulsar timing analysis methods and timing analysis results of the five most widely used pulsars in current pulsar navigation including the Crab pulsar and PSR B1509-58 whose observations are made from the “Insight”Hard X-ray Modulation Telescope （HXMT） in China， and PSRs J1821-2452A， J1939+2134 and J0030 +0451 whose observations are made from the Neutron-star Interior Composition Explorer （NICER）. Through the analysis of high precision timing observations from “Insight” HXMT and NICER in 2017-2021， the latest rotation characteristics and physical information of pulsars are obtained. On the one hand， the latest X-ray ephemeris of the pulsar with long period time and higher accuracy of rotation parameters are given， and it is proved that high precision ephemeris can be obtained independently in X-ray. On the other hand， clear and significant integrated pulse profiles for five pulsars are established， in which the pulse profiles of the three millisecond pulsars within the selected energy bands are the most accurate， which can provide the latest standard template for pulsar navigation research. This work only analyzes the X-ray observations of pulsars， and using multiple telescopes at home and abroad to carry out multi-band joint timing analysis will be an important direction of pulsar timing research in the future.

Key words: pulsar, navigation, X-ray, timing analysis, ephemeris

中图分类号:

闫林丽, 葛明玉, 庹攸隶, 周庆勇, 叶文韬, 郑世界, 韩大炜. 5颗导航用X射线脉冲星计时分析[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526588-526588.

Linli YAN, Mingyu GE, Youli TUO, Qingyong ZHOU, Wentao YE, Shijie ZHENG, Dawei HAN. Timing analysis for five navigation X-ray pulsars[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526588-526588.

图/表 15

表1

表2

表3

图1

图2

图3

图4

图5

图6

表4

图7

图9

图8

4颗脉冲星的星历

PSRJ	PSR J1513-5908	PSR J0030+0451	PSR J1824-2452A	PSR J1939+2134
RAJ	15：13：55.640	00：30：27.427 81	18：24：32.007 88	19：39：38.561 224
DECJ	-59：08：09.40	+04：51：39.711 3	-24：52：10.834	+21：34：59.125 70
F0	6.580 972 327 6（15）	205.530 698 996 69（9）	327.405 535 584 311（36）	641.928 221 439 143（28）
F1	-6.607 118（89）×10^-11	-4.093（18）×10^-16	-1.735 284 8（74）×10^-13	-4.330 612（59）×10^-14
F2	1.847（26）×10^-21	-3.73（25）×10^-24	-1.05（10）×10^-24	1.59（75）×10^-25
PEPOCH	58 150	58 500	58 500	58 500
POSEPOCH	50 678	55 390	54 500	55 000
START	57 933	57 959	57 933	57 933
FINISH	58 375	59 185	59 133	59 171
UNITS	TDB	TDB	TDB	TDB
EPHEM	DE405	DE405	DE405	DE405
NTOA	103	109	108	145
RMS（μs）	3 701.265	35.676	10.923	5.523
$ϕ 0$		0.834（1）	0.640 1（2）	0.496 9（2）

图8

图10

图11

参考文献 63

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

载荷	HE	ME	LE
探测器类型	NaI	Si-PIN	SCD
探测器总面积/cm²	约5 100	952	384
观测能区/keV	20~350	8~35	1~12
能量分辨率/FWHM	≤17%@60 keV	15%@20 keV	2.5%@6 keV
时间分辨率	4 μs	240 μs	1 ms

名称	赤经	赤纬	自转周期P0/ms	周期导数P1	距离/ kpc	表面磁场/ G	自转能损率/ （ergs·s^-1）	特征年龄/a
Crab	05：34：31.940	+22°：00′：52.200″	29.947	4.210×10^-13	2.000	3.79×10¹²	4.5×10³⁸	1.26×10³
PSR B1509-58	15：13：55.811	-59°：08′：09.600″	151.840	1.529×10^-12	4.400	1.54×10¹³	1.7×10³⁷	1.57×10³
PSR J0030+0451	00：30：27.428	+04°：51′：39.711″	4.865	1.017×10^-20	0.325	2.25×10⁸	3.5×10³³	7.58×10⁹
PSR J1821-2452A	18：24：32.008	-24°：52′：10.834″	3.054	1.619×10^-18	5.500	2.25×10⁹	2.2×10³⁶	2.99×10⁷
PSR J1939+2134	19：39：38.561	+21°：34′：59.126″	1.558	1.051×10^-19	3.500	4.09×10⁸	1.1×10³⁶	2.35×10⁸

名称	观测器	观测时间范围	观测次数	曝光时间/（10³s）
Crab	HXMT	2017-08-27—2021-01-14	340	604（HE） 769（ME）
PSR B1509-58	HXMT	2017-07-06—2018-09-13	48	94（HE） 145（ME）
PSR B1509-58	NICER	2017-06-29—2017-08-11	13	16
PSR J0030+0451	NICER	2017-07-24—2020-12-31	495	3 152
PSR J1821-2452A	NICER	2017-06-25—2020-12-31	358	989
PSR J1939+2134	NICER	2017-06-24—2020-12-31	500	1 786

名称	探测器	a₁	b₁	c₁	a₂	b₂	c₂
PSR B1508-58	ME	0.683 0±0.077 0	1.049 0±0.008 0	0.154 0±0.017 0	0.276 0±0.074 0	1.192 0±0.066 0	0.474 0±0.100 0
PSR B1508-58	HE	0.325 0±0.053 0	0.992 0±0.007 0	0.059 0±0.012 0	0.832 0±0.037 0	1.089 0±0.007 0	0.202 0±0.007 0
PSR J0030+0451	XTI	0.963 0±0.008 0	0.834 0±0.001 0	0.161 0±0.002 0	0.699 0±0.008 0	0.368 0±0.001 0	0.149 0±0.002 0
PSR J1821-2452A	XTI	0.012 6±0.000 4	0.019 3±0.000 8	0.189 6±0.000 5	0.010 6±0.000 2	0.010 5±0.000 2	0.640 1±0.000 2
PSR J1939+2134	XTI	0.010 1±0.000 1	0.009 7±0.000 2	0.496 9±0.000 1	0.004 1±0.000 5	0.011 1±0.001 6	1.025 5±0.001 1

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5颗导航用X射线脉冲星计时分析

Timing analysis for five navigation X-ray pulsars

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