毫秒脉冲星引力波 致密天体与弥漫介质研究团组课件

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1、脉冲双星测时、毫秒脉冲星、引力波 脉冲星天文学第6、11章,游霄鹏 西南大学物理科学与技术学院,内容概要,脉冲双星测时及天体测量毫秒脉冲星及双星系统引力波探测简介,脉冲双星系统简介,一些脉冲星会与另一颗星相互绕转组成双星。轨道周期范围为1.6小时到几年。极少部分的正常脉冲星与一半以上的毫秒脉冲星处在双星系统中。脉冲双星的伴星质量范围：很低质量的白矮星（0.01M）到大质量的恒星（1015M ）9个脉冲星的伴星是中子星。 一个脉冲星有三个行星绕其旋转。,双星轨道参数,双星轨道运动,确定双星轨道的几个要素： 1、几何要素：1）半长径a2）偏心率e,2、位置要素：1）轨道倾角i2）近心点经度,3、时

2、间要素：1）周期Pb2）过近心点时刻T0,5个开普勒参数:,Pb ，x = a sin i，e，T0,问题：观测上如何知道是双星？ 问题：如何用脉冲星测时测这些参数？,脉冲星测时,Model,脉冲星测时的方法：观测,基本的脉冲星测时观测观测误差 把观测到的望远镜到达时间改正到太阳系中心,：观测站时间改为国际原子时 ：色散量改正 ( D=DM/(2.4110-16)s ) ：Roemer 项改正 ：太阳系的Shapiro延迟项改正 ：地球的Einstein延迟改正,脉冲星测时的方法：模型,获得一系列改正到SSB在t 时刻的TOA 脉冲星测时模型，惯性系 周期 周期导数 位置 自行 最小二乘法,视

3、向速度曲线,1、双星运动脉冲星周期调制,PSR B1913+16,：真近点角,2、周期变化推算轨道参数,观测到的周期为,e,其中E:：偏近点角 平近点角：M=E-esinE,真近点角、平近点角、偏近点角,或,T,质量函数：,开普勒第三定律: 42(ap+ac)3/pb2=G(mp+mc),双星系统的相对论效应,双星对到达时间的调制与太阳系类似,：轨道相位,注：shapiro延迟可以用来测轨道倾角 i和伴星质量mc,Shapiro 延时 - PSR J1909-3744,(Jacoby et al. 2005),P = 2.947 msPb = 1.533 d Parkes 测时 CPSR2时间

4、残差:10分钟: 230 ns日常观测 (2 小时): 74 nsshaprio延迟可得: i = 86.58 0.1 deg mc = 0.204 0.002 M质量函数可得: mp = 1.438 0.024 M,双星轨道的相对论演化,相对论双星开普勒常数会发生变化 最早测近日点进动的是水星 43 arc/century PSR B1913+16 4.2 deg/year （GM/c2r） 进动可以测双星的总质量PSR B1913+16 mp+mc=2.8M,1. 轨道进动,Mp = 1.4408 0.0003 M Mc = 1.3873 0.0003 M,(Weisberg & Tayl

5、or 2005),2. 轨道周期的变化,由于引力辐射，轨道周期将会变快由开普勒常数的测量及广义相对论预测 PSR B1913+16 观测值结果首次引力波的观测证据。还与横向速度(自行)相关 PSR B1534+12,首次发现脉冲双星首次精确测量中子星质量首次发现引力波存在的证据证实了广义相对论是一个精确描述强引力场的理论,1993授予 Taylor & Hulse诺贝尔奖,The Hulse-Taylor Binary Pulsar,PSR B1913+16,3. 测地岁差旋转轴进动,由于脉冲星旋转轴角动量与轨道角动量的耦合引起。 观测到的辐射束发生改变 甚至造成脉冲星消失 PSR B1913

6、16,2025年以后会消失 进动周期: B1913+16: Tp = 300 年 J0737-3039A: Tp = 75 年 J0737-3039B: Tp = 71 年,1981,1995,Weisberg et al.89,Kramer 98,Kramer 98,脉冲形状,脉冲宽度,总结：脉冲双星相对论效应,注意后开普勒参数的测量依赖于引力理论。对于广义相对论：,后开普勒参数测量,: 近心点进动 : 时间膨胀和引力红移 r: “range” Shapiro 延迟 s: “shape” Shapiro 延迟 Pb:引力辐射引起轨道衰减 geod: 测地岁差频率,.,.,PSR B1913+

7、16: 测量出, , Pb PSR J0737-3039A/B 测量出, , r, s, Pb,.,.,.,.,双脉冲星系统PSR J0737-3039A/B,发现：Burgay et al 2003；Lyne et al. 2004 基本参数 轨道周期： Pb= 2.45 hr 椭率： e = 0.088 相对较小 近星点进动： = 17yr-1 4倍于PSR B1913+16 测地岁差频率： geod = 4.770.65yr-1 周期： A 22.7ms B 2.77s A被B的磁层掩食，很好的观测磁层的样本 很好的引力理论检验室,检验引力理论PSR J07373039A/B,检验广义相

8、对论:,Kramer et al.(2006),5个后开普勒参数测量质量比 4个可能的测试! 超过任何系统,准确度高达99.95%,MB=1.2489(7)M,MA=1.3381(7)M,PSR B1257+12 首次发现的太阳系外行星,Wolszczan Wolszczan et al. (2000),A: 3.4 MEarth, 66.5天 B: 2.8 MEarth, 98.2天 C: 1 MMoon, 25.3天,探测脉冲星-行星系统,探测DM的变化，提高timing精度,DM variations from ISM,20 MSPs,(You et al., 2007),太阳风性质的研

9、究-B、ne,RM变化DM变化,(You et al., 2008,2012),内容概要,脉冲双星测时及天体测量毫秒脉冲星及双星系统引力波探测简介,不同的脉冲星族群,别于“正常”脉冲星 特征参数不同 正常脉冲星 周期：1 s 磁场：1012 G 年龄：106 yr 毫秒脉冲星 周期：10 ms 磁场：108 G 年龄：1010 yr,双星系统,X射线源中子星：大部分双星，仅1/10射电脉冲星是双星？Why？ 双星非常普遍：70% OB型星，70% Pb10天，质量交换 双星系统不被破坏的条件 对称爆发：50%质量损失 非对称爆发：me0.2mc 或 0.2质量损失 MSP形成：角动量交换，“再

10、生”脉冲星 演化过程不同：缓慢，磁场减小,发现,首个脉冲双星：B1913+16，P: 59 ms （Hulse & Taylor 1974） 首个MSP：B1937+31，P：1.6 ms （Becker et al. 1982） 射电源：4C21.53 陡谱，高度线偏振 高采样率 最快MSP：J1748-2246ad，P：1.396 ms （Hessels et al. 2006) 许多MSP是强伽马射线源，有些没有射电辐射,双星系统中各类脉冲星的形成过程,星I超新星 破坏： 年轻单脉冲星 +逃跑星 不破坏： PSR-主序星 星II演化 X-ray双星 星II低质量 WD-MSP 星II高质

11、量,超新星 破坏： 年轻单脉冲星 +再生星 不破坏： PSR-MSP,双星及其轨道,长或短周期脉冲双星难测：PSR B0820+02 近圆轨道双星难测PSR B0655+64Pb：24.7he：10-5 两颗星都能得到质量函数 可测质量 正常双星没有低椭率。Why脉冲双星椭率低？ 演化中质量交换降低椭率 双中子星系统 质量点，保持椭率 椭率与旋转周期的关系 （Faulkner et al 2005）,双星质量及其伴星,质量函数，只能测x = a sin iPSR B1953+29，f=0.00272M,精确质量测量需要后牛顿参数,双中子星系统,9个脉冲星的伴星是中子星。,质量范围：1.251.

12、43M，其中J1518+4904 1.17M， 目前所知最小质量中子星,中子星-白矮星系统,1.2-2.1M WD-NS系统远远多于DNS系统，但很难测出质量。Why？ 近圆轨道-难测轨道进动 质量小-Shapiro delay难测,轨道及加速历史,DNS系统 PSR-MSP PSR-PSR？ WD-NS系统 recycle, e小 “温和”加速脉冲星 NS在伴星包层里 加速快，e较大 极低质量伴星：黑寡妇 球状星团 Mc Roche lobe 0.5RPWN,球状星团脉冲星,LMXB 20% in GC B1821-24 首个MSP in GC In M28 陡谱 高偏振 B1620-26

13、In M4 双星 圆轨道 长Pb=191 day,(Lyne et al., 1988a) (Lyne et al., 1987),更多GC脉冲星的发现,47 Tuc 发现了23颗 2P6 ms (Freire et al. 2003) Ter 5发现34颗 4个GC中发现双星系统(DAmico et al. 2001a) 27个GC中，142颗脉冲星发现，2013最新,球状星团脉冲星的特征,几近圆轨道 伴星为白矮星，分为两组 极低质量，Mc0.1M，CO或ONeMg白矮星 例外：高椭率、伴星为主序星， 大尺度，GC的自引力可以加速脉冲星，影响 PSRs B2127+11A, D， 为负值 小

14、尺度，几乎碰撞，破坏圆轨道产生高椭率 首次证实了DM在GC近远端的变化,毫秒脉冲星的磁场,108109G，比PSR小3个量级？ 需要解释的现象 原始1012G recycle减低磁场 108G后停止，不再衰减。 可能的解释 欧姆耗散？ 吸积流屏蔽,毫秒脉冲星的速度,测量方法：timing和干涉成像法 速度分布(Hobbs et al. 2005) 121625 kms-1 307(3Myr) 87(MSP) Old young 银河系引力势 MSPPSR Kick小,总结,MSP和Binary pulsar是非常有趣的天体 有许多物理可以来研究 确定中子星质量物态方程的限制 引力理论的验证 磁层的研究 高精度的timing DM的变化，太阳风的研究 时间标准的研究 太阳系星历表的研究 引力波的研究 ,内容概要,脉冲双星测时及天体测量毫秒脉冲星及双星系统引力波探测简介,来自宇宙的信息,电磁波 宇宙线 中微子 引力波,引力波探测简介,引力波: 时空的涟漪!,由广义相对论和其他引力理论预言 由大质量的物体加速引起,引力波的性质,四极矩 两种偏振模式（GR）“+” “”,引力波源,高频 (HF，10 104 Hz) 双中子星的碰撞 低频 (LF，10-4 1 Hz） 银河系中的致密双星,