5颗导航用X射线脉冲星计时分析_闫林丽.pdf

526588-1航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V5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21安徽建筑大学 数理学院，合肥2306012中国科学院高能物理研究所 粒子天体物理重点实验室，北京1000493西安测绘研究所，西安7100544地理信息工程国家重点实验室，西安710054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 20172021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；星历中图分类号：V11；P124.4；P145.6 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-526588-16脉冲星是一种高度磁化的、旋转的中子星或白矮星，具有非常稳定的周期，在地球上接收到此类天体的射电信号是脉冲的形式，因此被命名为脉冲星1-2。自 1967 年首次被观测证认3，50多年的时间内已经发现 3 000多颗脉冲星。首颗脉冲星是在射电波段被发现的，随着空间天文的发展，对脉冲星的观测已经推广到红外、光学、X射线、射线波段。利用脉冲星精确的周期性可以进行引力波探测4-5、监测和修正原子时的稳定度6-7、脉冲星导航8-9等研究。脉冲星是宇宙空间天然的时钟，它们的自转建立在恒星级质量天体的物理过程基础上，能够提供一种基于遥远自然天体并持续数百年至数十亿年的时间频率，不易被干扰并且不受地面系统控制，可以作为独立的时间基准10。实现脉冲星时建立及服务的前提是充分了解脉冲星的时间特征，并长期监测脉冲星的时间特征变化。对脉冲星时间特征的研究称为计时分析，最终目标http:/ 引用格式：闫林丽，葛明玉，庹攸隶，等.5 颗导航用 X 射线脉冲星计时分析 J.航空学报，2023，44（3）：526588.YAN L L，GE M Y，TUO Y L，et al.Timing analysis for five navigation X-ray pulsars J.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：526588（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2022.26588收稿日期：2021-10-29；退修日期：2021-11-22；录用日期：2022-02-13；网络出版时间：2022-03-1510：02网络出版地址：https：/ X射线甚至 射线波段，脉冲星的空间观测具有几乎不受星际介质的影响，不受到人为干扰的优势，但是大多数脉冲星的高能辐射信号强度弱，并且由于空间载荷重量的限制，有效探测面积比较小，需要较长时间观测才能获得比较准确的计时参数。X 射线、射线与射电波段联合观测，可充分利用各自优势，以实现高效的计时参数获取和探索不同观测资源的优化配置。脉冲星的工程应用研究之一 X 射线脉冲星导航为一种新型天文导航方式，旨在通过分析处理脉冲星的 X 射线辐射信号，获取航天器的位置、姿态、时间等完整的导航信息，具有自主性强、抗干扰能力强、可靠性高等优点11。X 射线脉冲星的空间位置、辐射特性及自转周期等信息是 X 射线脉冲星导航的基本输入参数，是实现脉冲星导航的前提条件，需要精确测定这些参数。由于大多数脉冲星的 X 射线辐射流量随能量呈幂律分布，通常选择辐射较强的软 X射线波段作为观测窗口，选择能够同时产生射电和 X 射线信号的脉冲星作为导航脉冲星，通过地面射电天文台和空间 X 射线卫星联合观测，以获取脉冲星的空间位置、自转周期、X 射线脉冲波形和相位等信息，这是当前的最佳脉冲星计时方案。1999 年，ARGOS 卫星携带的非常规恒星定位 实 验 仪 器（Unconventional Stellar Aspect）进行了首次 X 射线空间导航尝试12。2017 年 11月，NASA 在其官网发布了“空间站 X 射线计时与导航技术”试验项目的结果。该项目是国际上首次开展基于毫秒脉冲星的空间自主导航试验，利用搭载在国际空间站上的中子星内部结构探测 器（Neutron star Interior Composition Explorer，NICER），对 4 颗毫秒脉冲星进行了为期2 d 的观测，获得了 78 组观测数据，并利用 8 h 的实验数据，实现了空间站位置 16 km 误差内的导航，其中数据较好一段的可优于 5 km 的导航精度13。可见，X 射线脉冲星导航具有完全自主导航的潜力，并期望其在深空探测领域的应用将逐步变得成熟，为太阳系内乃至太阳外的探测器提供自主的导航定位服务。中国科学院高能物理研究所和空间应用中心的研究人员利用中国载人航天天宫二号空间实验室上的 射线暴偏振探测器（-ray Burst Polarimeter，POLAR）对蟹状星云脉冲星进行了 1 个月的探测，完成了中国首次脉冲星导航空间实验，实现了对天宫二号的定轨，定轨方法采用脉冲轮廓显著性与卫星轨道的关联分析，实现的定轨精度如下：轨道位置精度在X、Y、Z方向分别为 11.5、13.1和 9.1 km，对应的轨道速度精度分别为 0.3、0.31、0.01 km/s 14。2019年，该研究团队利用“慧眼”硬 X 射线调制望远 镜（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）采用改进的定轨方法，进一步验证了利用脉冲星定轨的可行性，精度可达 10 km9。还需提到的是，XPNAV-1 也进行导航实验，利用Crab 脉冲星的观测，其轨道的确定精度为 38.4 km15。西安测绘研究所的研究人员对脉冲星时空基准建设也开展了系列研究16-19。目前脉冲星计时分析方法的介绍集中在射电波段，而在 X 射线波段研究相对较少。X 射线与射电波段的观测手段不同，记录的数据信息不同，因此计时过程存在一定的差异。在射电波段，地面望远镜接收脉冲星的辐射信号，首先需要消色散，即射电脉冲通过星际介质后会产生延迟现象，然后再进行计时分析。而在 X 射线波段，则没有色散延迟。但在分析数据时，首先需要先进行太阳系质心修正，再累积脉冲轮廓进行计时分析。因此，每个波段的观测，进行完各自的修正之后，后续的计时分析过程对于射电与 X射线观测无差异。本文通过分析处理“慧眼”HXMT 和 NICER对 5 颗脉冲星的观测数据，说明脉冲星 X 射线计时分析的步骤和方法，并给出它们计时模型，以便于应用于脉冲星导航时间和空间精度的分析研究工作中。航空学报526588-31卫星介绍及脉冲星的观测信息1.1“慧眼”HXMT卫星2017-06-15，中国第一颗空间 X 射线天文卫星“慧眼”HXMT 在酒泉卫星发射中心成功发射，运行于高度 550 km、倾角 43的近地圆轨道上。“慧眼”HXMT 卫星携带了高能 X 射线望远镜（High Energy X-ray telescope，HE）、中能 X 射线望远镜（Medium Energy X-ray telescope，ME）和低 能 X 射 线 望 远 镜（Low Energy X-ray telescope，LE）3 种科学载荷和空间环境监测器。慧眼 HXMT 卫星对脉冲星采取定点观测，其优点包括覆盖能段宽、有效面积大、时间分辨率高、探测死时间很小、对强源观测没有光子堆积效应，因此该卫星具有独特的研究天体多波段快速光变的能力。“慧眼”HXMT 卫星的基本指标如表 1所示。1.2NICER2017-06-03，NICER 被搭载在国际空间站上，旨在测量来自脉冲星的 X 射线脉冲轮廓，以便更好地研究中子星状态方程。与 X 射线计时探测器（Rossi X-ray Timing Explorer，RXTE）相比，NICER 在软 X 能段上工作，并有更高的能量分辨率、计时分辨率和灵敏度。NICER主要性能有：大 有 效 面 积：约 1 900 cm2 1.5 keV；能量范围：0.2 keVE12.0 keV；绝对计时精度：300 ns；能谱分辨率：0.58 keV时6 E/E100 s 的总观测次数。NICER 也对Crab脉冲星进行了大量观测，更详细 X 射线计时分析工作见已公开的论文25。2X射线计时分析流程2.1数据筛选和预处理“慧眼”HXMT 和 NICER观测得到的数据传输至地面系统后，经过解算和原始筛选，观测信息被保存成 FITS 文件以供工程或科学分析。科学工作者将获得的观测数据进一步筛选以尽量减少干扰源的影响，例如剔除卫星指向偏离较大、被地球遮挡、经过大西洋异常区、空间环境污染比较严重的时间段内的光子。数据筛选后，光子到达探测器的时间、光子能量以及卫星的轨道信息是进行 X 射线计时分析主要采用的。在利用这些信息进行计时分析之前，需要对光子到达探测器的时间进行修正。FITS 数据文件记录的光子时间是 X 射线光子到达探测器的时间，由于周年视差、Roamer延迟、引力时延等效应2，在进行计时分析之前需计算这些效应引起的时间偏离量，并进行时间修正，即将光子到达探测器的时间转换至光子到达太阳系质心位置的时间。表 35颗脉冲星的观测信息Table 3Basic observational information of five pulsars名称CrabPSR B1509-58PSR B1509-58PSR J0030+0451PSR J1821-2452APSR J1939+2134观测器HXMTHXMTNICERNICERNICERNICER观测时间范围2017-08-272021-01-142017-07-062018-09-132017-06-292017-08-112017-07-242020-12-312017-06-252020-12-312017-06-242020-12-31观测次数3404813495358500曝光时间/（103s）604（HE）769（ME）94（HE）145（ME）163 1529891 786表 25颗脉冲星的基本参数Table 2Basic parameters of five pulsars名称CrabPSR B1509-58PSR J0030+0451PSR J1821-2452APSR J1939+2134赤经05：34：31.94015：13：55.81100：30：27.42818：24：32.00819：39：38.561赤纬+22：00：52.20059：08：09.600+04：51：39.71124：52：10.834+21：34：59.126自转周期P0/ms29.947151.8404.8653.0541.558周期导数 P14.21010131.52910121.01710201.61910181.0511019距离/kp