529.78
Гигантские импульсы пульсаров для прецизионного сличения часов
Ю. П. ИЛЯСОВ*, В. И. КОНДРАТЬЕВ**, В. В. ОРЕШКО* , м. в. ПОПОВ**,
В. А. СОГЛАСНОВ**
* Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, e-mail: ilyasov@prao.ru. ** Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН,
e-mail: mpopov@asc.rssi.ru
Обсуждается возможность высокоточного сличения часов с использованием гигантских импульсов пульсаров огромной пиковой плотности потока наносекундной длительности. Практически нет ограничений на расстояния между синхронизируемыми часами, которые могут находиться как на Земле, так и в космосе. Для такого сличения часов необходимы радиотелескопы умеренных размеров, малошумящие приемники и скоростные регистраторы. Рассмотрены основные источники погрешностей измерений. Гигантские импульсы пульсаров можно использовать как для космической навигации, так и для определений моментов (эпохи) в шкале пульсарного времени.
Ключевые слова: стандарты времени, пульсары, хронометрирование, радиотелескопы, гигантские импульсы.
Precise clock comparison is considered by use of pulsar giant nanosecond pulses of a huge peak flux density. There are no limitations for distance between synchronized clocks, which could be located both in space and on the Earth. A moderate size radio telescopes, low noise receivers and wide band digital recorders should be used for clocks comparison. The main measurement errors sources are examined. Giant pulses could be applied both for space navigation and time epoch definition in the Pulsar Time scale.
Key words: time standards, pulsars, timing, radio telescopes, giant pulses.
Установлено, что некоторые пульсары несколько раз за час генерируют короткие импульсы, амплитуда которых превышает в тысячи и более раз средний уровень их радиоизлучения. Другой отличительной особенностью пульсаров является чрезвычайно короткая длительность — порядка нескольких наносекунд и менее. Яркостная температура области генерации оценивается на уровне до 1040 К при ее размерах в несколько кубометров. По-видимому, за необычно высокую мощность радиоизлучения и короткую длительность отвечает когерентный механизм. Это может быть, например, высокочастотный «пробой» или локализованные волновые пакеты (солитоны), распространяющиеся в сильно диспергирующей магнитосфере пульсара, подобные мощным коротким (пикосекундным) световым импульсам в рабочей среде лазера. Генерация радиоизлучения происходит в широком диапазоне частот и регистрируется на радиотелескопе в момент приема основного импульса пульсара, поскольку оба приходятся на так называемое «окно» излучения пульсара. Это излучение оказывается сильно поляризованным. [1, 2].
Как известно, пульсары были предложены в качестве хранителей астрономической шкалы времени (Пульсарное время) [3]. Ряд пульсаров отличается высокой стабильностью периода вращения, которая на длительных интервалах сопоставима или выше стабильности квантовых стандартов частоты и времени. Пульсары находятся в нашей Галактике, их координаты измерены с погрешностью менее 0,001". Время жизни пульсара в фазе радиоизлучения составляет несколько миллионов лет. Очевидно, они хранят единицу времени, единую для всех пользователей как на Земле, так и в космосе. Была предложена методика сличения часов на двух и более пунктах наблюдения пульсаров с использованием тонкой структуры одиночного импульса (так назы-
ваемой микроструктуры), которая содержит всплески длительностью несколько микросекунд и менее. На устройство и способ сличения часов по микроструктуре импульсов пульсаров в 1991 г. было получено авторское свидетельство.
Предлагаемый способ повышает точность сличения разнесенных стандартов времени на несколько порядков. Достаточно частое появление гигантских всплесков с потоком в несколько десятков и сотен тысяч раз больше среднего уровня в излучении таких пульсаров позволяет рассчитывать на уверенный прием этих импульсов. Как будет показано ниже, для этого необходим радиотелескоп умеренных размеров — диаметром порядка 10—20 м, малошумящие приемники и современная аппаратура регистрации скоростных широкополосных процессов с цифровой технологией обработки сложных сигналов [4].
Гигантские импульсы пульсаров. В настоящее время генерация гигантских импульсов (ГИ) обнаружена уже у 11 пульсаров. Наиболее отчетливо они выражены у PSR В1937+21 (миллисекундный пульсар с периодом вращения 1,56 мс) и PSR В0531+21 (пульсар в Крабовидной туманности, период вращения 33 мс) [2].
По наблюдениям на радиотелескопе РТ-70 в Тидбинбил-ле (Австралия) на частоте 1650 МГц было обнаружено, что генерация ГИ у пульсара PSR В1937+21 происходит на «самой кромке» как «регулярного» (обычно) главного импульса, так и интеримпульса в окне шириной около 10 мкс. Гигантские импульсы регистрировались в среднем один раз за 8 мин. Плотность потока в отдельных импульсах достигала 120 кЯн (1 Ян = 10-26 Дж/м2) при длительности менее 15 нс [2].
Наблюдения ГИ пульсара в Крабовидной туманности дали еще более впечатляющие результаты. Оказалось, что практически все индивидуальные импульсы этого пульсара — «короткие и гигантские». Распределение их амплитуд соответ-
ствует степенному закону. Примерно один раз за полчаса появляется ГИ с плотностью потока до миллиона и более янских. В табл. 1 приведены характеристики ГИ по наблюдениям на радиотелескопе РТ-64 (антенная система ТНА-1500 ОКБ МЭИ) и эталонном комплексе пульсарного времени ПРАО ФИАН (частоты 0,6 и 4,85 ГГц).
Т а б л и ц а 1
Число появлений гигантских импульсов (М и пиковый поток ^пик) для пульсара PSR В0531+21
Частота, ГГц ^ик. Ян N (за час)
0,6 4,85 (0,3—1,0) ■ 106 (1—2) ■ 104 6—8 2—3
На рис. 1 показана форма одного из гигантских импульсов, принятого на радиотелескопе РТ-64 в Калязине одновременно на частотах 1,4 ГГц (плотность потока в импульсе 3 МЯн) и 2,22 ГГц (плотность потока в импульсе — 120 кЯн). Средняя плотность потока пульсара PSR В0531+21 на частоте 1,4 ГГц составляет 14 мЯн, и ширина среднего профиля импульса 2 мс. Спектральный индекс ГИ находится в пределах -2 ... -3. Отмечается высокая степень круговой поляризации, что свидетельствует о сильных магнитных полях в области их генерации (модель диссипации солитона).
Таким образом, ГИ пульсаров обладают высокой интенсивностью с пиковой плотностью потока, достигающей нескольких миллионов янских на сантиметровых волнах и регистрируются как короткие всплески длительностью меньше наносекунды. Гигантские радиоимпульсы излучаются в широком диапазоне частот. Их энергия, как правило, возрастает в сторону низких частот приблизительно пропорционально кубу частоты. Однако в результате распространения радиоизлучения через неоднородную межзвездную плазму
Рис. 1. Гигантские импульсы пульсара PSR В0531+21, принятые одновременно на двух частотах 1,4 и 2,22 ГГц (соответственно а, б)
на РТ-64 в Калязине (регистратор К-5): ( — время, мкс; F — плотность потока радиоизлучения, кЯн (пиковая плотность потока на частоте 1,4 ГГц достигает 3 миллионов янских, что сравнимо с радиоизлучением спокойного Солнца на данной частоте)
ГИ искажаются по форме и сдвигаются по времени тем больше, чем ниже частота приема. Поэтому наиболее перспективным для их использования при сличении часов является диапазон длин волн 5—20 см. Для устранения влияния диспергирующих сред (межзвездная и межпланетная среды и ионосфера) прием сигналов пульсаров рекомендуется вести одновременно на двух и более частотах.
Методы и техника регистрации ГИ пульсаров. Как известно, при распространении импульсов пульсара в межзвездной и межпланетной средах, а также и в ионосфере, содержащих плазму с магнитными полями и показателем преломления, зависящим от частоты (дисперсионные среды), различные составляющие спектра сигнала запаздывают по времени прихода к наблюдателю пропорционально квадрату длины волны. Если не принять мер, то при приеме в полосе частот импульс пульсара расширится тем больше, чем больше полоса приема. Но, с другой стороны, она должна быть достаточно широкой, чтобы обеспечить высокую чувствительность. Чтобы разрешить эту проблему, часто используют многоканальные приемники (анализаторы спектра фильтрового типа), в которых импульсы пульсара, продетек-тированные в каждом канале, складываются на выходе с задержками, пропорциональными квадрату частоты приема. Это так называемые «постдетекторные компенсаторы дисперсии».
В 1971 г. Т. Хенкинсом был предложен другой, «додетек-торный» метод компенсации дисперсионного уширения, позволивший получить импульсы, временное разрешение которых обратно пропорционально полной полосе приема [4].
Методика додетекторной компенсации дисперсионного уширения состоит в вычислении фурье-преобразования от массива декодированных данных на выходе промежуточной частоты (ПЧ) приемника на временном интервале длительностью Т с последующей амплитудной коррекцией спектра на неравномерность его полосы пропускания и внесением фазовых поправок с частотной зависимостью, обратной полученной при распространении в дисперсионной среде.
Фазовые поправки для гармоник найденного фурье-спектра вычисляют по формуле
8ф ^) = 2жDM (Д/ / /0)2/ Df,
где ^ — значение радиочастоты для нижней границы полосы приема, Дf = k8f — отклонение текущей частоты от граничного значения f0; 8f — шаг по частоте в спектре ^ = 1/Т); к — номер гармоники; f = ^ + k8f — текущее значение частоты, для которой вычисляется коррекция фазы; й — постоянная дисперсии (О = 2,41000 ■ 10-16 см-3 ■ пкс); йМ — мера дисперсии для данного пульсара. После амплитудной и фазовой коррекции спектра проводится обратное фурье-преобразование во временную область.
Очевидно, что для этого метода компенсации дисперсионного искажения принципиальным является скорость выборки при «оцифровке» сигнала на выходе ПЧ-прием-ника. Так, для разрешения в 1 нс необходимы аналого-цифровые преобразователи со скоростью выборки 2 Гбит/с, которые, к счастью, существуют в скоростных терминалах радиоинтерферометрических систем со сверхдлинными баз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.