《Journal of High Energy Astrophysics》：Study of pulse jitter characteristics of PSR J1744 - 1134: Towards high precision pulsar timing with InPTA
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摘要个体脉冲形状的变异在脉冲星到达时间中引入了宽带噪声分量，该噪声超出射电计噪声的预期范围，被称为抖动噪声。这种噪声限制了计时精度，从而限制了利用脉冲星计时阵列探测纳赫兹引力波所需的灵敏度。因此，准确表征每个脉冲星的抖动噪声，包括其幅度和频率依赖性，至关重要。在本工作中，我们
摘要
个体脉冲形状的变异在脉冲星到达时间中引入了宽带噪声分量，该噪声超出射电计噪声的预期范围，被称为抖动噪声。这种噪声限制了计时精度，从而限制了利用脉冲星计时阵列探测纳赫兹引力波所需的灵敏度。因此，准确表征每个脉冲星的抖动噪声，包括其幅度和频率依赖性，至关重要。在本工作中，我们首次详细研究了PSR J1744?1134在300–500 MHz频率范围内的抖动噪声，使用了印度脉冲星计时阵列实验的观测数据，该实验使用升级后的巨米波射电望远镜进行。我们通过脉冲级分析和贝叶斯推断在该脉冲星中检测到明显的抖动特征。此外，我们研究了抖动噪声的频率依赖性，并将我们的结果与早期在更高频率下的测量进行了比较。观察到的抖动幅度差异表明可能存在频率演化，突显了低频研究对于提高脉冲星计时精度和准确度的重要性。我们还研究了抖动对我们观测中推导出的高精度色散测度的影响，发现抖动不是限制该脉冲星在给定观测时间尺度下实现的DM精度的因素。
引言
脉冲星计时阵列对引力波的灵敏度取决于数据中存在的各种噪声源。影响到达时间测量的噪声源可以根据几个特征进行分类，如时间相关性和频率依赖性。时间相关性描述到达时间波动是否在较长的观测时期内持续存在，或者脉冲之间是否独立作用。长期相关的过程，其中功率集中在低频波动处，统称为红噪声；这些噪声源自脉冲星的旋转不规则性、色散测度的时间变化以及太阳系历表误差。相比之下，具有零时间记忆之间的噪声称为白噪声，主要由热射电计噪声和单脉冲抖动噪声驱动。噪声过程还通过其射电频率依赖性进行表征，描述了延迟如何随不同观测频段而变化。诸如太阳系历表误差和固有自旋噪声等过程是无色的，对所有射电频率延迟相等。相反，通过电离星际介质传播的效果，如色散延迟和等离子体散射，具有强烈的频率依赖性。最后，噪声可以根据其对多个脉冲星是共同的还是对单个脉冲星独有的进行分类。对这些噪声源进行建模对于从PTA数据集中提取引力波信号至关重要。
在个体脉冲级别，每个脉冲在幅度、形状和相位方面都有所不同。这些差异可能会引入噪声到积分脉冲轮廓中，该轮廓是通过平均大量个体脉冲获得的。其效果在计时残差中表现为具有白噪声谱的随机波动，称为脉冲抖动。在短时间尺度上，计时残差中的多余噪声由射电计噪声和抖动噪声主导。射电计噪声代表了接收器系统的基本热噪声底线，源于接收器电子设备、大气发射和背景天空温度产生的高斯电压波动。其在通量密度中的幅度根据射电计方程与系统资源成反比缩放，σ_S = T_sys / (G × √n_pol × Δν × T)，其中T_sys是系统温度，n_pol是极化数量，Δν是带宽，T是积分时间，G是望远镜增益。射电计噪声的幅度取决于观测系统配置，并且在时间上总是不相关的，在脉冲相位箱中是同方差的。相反，不同相位箱中的抖动噪声将是时间相关的和异方差的。为实现脉冲星计时阵列的科学目标，特别是探测纳赫兹引力波，通过最小化射电计和抖动噪声的贡献来提高脉冲星计时的灵敏度和精度至关重要。由于两者都是白噪声过程，其均方根幅度随子积分时间以T^(-0.5)缩放，其中T是脉冲平均以抑制射电计噪声和固有脉冲间变异性的子积分时间。通过增加子积分时间，这些噪声源的幅度可以降低，但它们之间的相对主导地位不能改变，因为两种噪声源具有相同的与子积分时间的缩放特性。因此，在抖动噪声占主导的情况下，需要单独的抖动噪声建模。否则，每个TOA相关的不确定性将被低估，这将影响后续的噪声分析。所以，一旦观测策略达到抖动噪声底线，增加子积分时间来减少这些噪声效果就没有进一步的好处了。这意味着抖动噪声在决定脉冲星的观测时间和采用的子积分时间方面起着重要作用。不同的PTA基于操作约束、射频干扰去除、保持相位稳定性和产生足够的历元TOA用于多通道噪声分析来采用不同的子积分时间。
在不久的将来，随着高灵敏度望远镜如平方公里阵列的出现，将能够在较短的观测时间内获得足够的信噪比。平方公里阵列增强的灵敏度促进了单脉冲变异性特征的表征，导致平均脉冲轮廓与模板之间的细微差异，其效果在计时分析中表现为抖动噪声。由于下一代PTA实验计划采用更短的观测持续时间，它们可能会受到抖动噪声的日益影响，如果未充分表征抖动噪声对单个脉冲星的影响。因此，研究每个观测脉冲星的抖动噪声特性和幅度以设计最佳观测策略非常重要。
本工作是对我们之前使用InPTA观测对PSR J0437?4715进行的抖动研究的后续。Kikunaga等人报告了在300?500 MHz频率范围内抖动随频率线性增加。这种行为与Parthasarathy等人报告的抖动随频率线性下降的趋势相反。这表明可能存在一个频率转折区域，在该区域中抖动趋势随频率反转。该研究结果激励我们调查其他脉冲星的抖动噪声，表征其频率依赖性，以及此类频率是否存在。在本工作中，我们研究了脉冲星PSR J1744?1134的抖动噪声。
PSR J1744?1134，在Parkes 436 MHz南天巡天中发现，自旋周期为4.07毫秒。这个明亮的毫秒脉冲星显示出高度相干的脉冲轮廓，占空比为10%。因此，这是所有PTA感兴趣的源，并被定期监测。特别是，其陡峭的谱指数和高调制指数使其成为低频计时和抖动研究的理想候选者，因此它是InPTA实验的一部分被定期观测。PSR J1744?1134也已被多个小组研究以表征L波段频率下的脉冲抖动，观测报告在1284 MHz、1500 MHz、1400 MHz和1250 MHz，作为大规模抖动和脉冲星计时研究的一部分。Lam等人还报告了在820 MHz的抖动幅度测量。之前所有的L波段调查都是在1 GHz以上的频率进行的，而820 MHz的测量提供了一个额外的低频点。相比之下，本工作提供了500 MHz以下脉冲抖动的首次详细调查。在本文中，我们使用升级的巨米波射电望远镜数据研究PSR J1744?1134在300?500 MHz频率范围内的抖动幅度。论文结构如下。在第2节中，我们讨论uGMRT观测、数据处理方法和用于历元选择的方法。在第3节中，我们讨论表征抖动的不同方法并获得相应的结果。最后，我们在第4节中呈现我们工作的物理意义、与文献中报道的脉冲星抖动特性的比较以及结论。
章节摘要
观测
我们简要总结了本工作中使用的观测和相关数据约简技术。更多细节可参见我们之前的工作。
InPTA观测使用uGMRT以总强度模式进行，其中GMRT宽带后端记录频率分辨的时间序列数据。它们在uGMRT观测周期42至47期间进行，其中源被观测...
脉冲级分析
脉冲抖动在脉冲星计时中表现为计时残差中的多余散粒，该散粒无法由源自系统噪声的正式TOA不确定性解释。这种多余源于脉冲轮廓形状相对于固定模板轮廓的历元间变化。因此，抖动的影响不仅应该在计时级别上可检测，还应该在脉冲轮廓域中直接可检测。抖动导致脉冲上能量的重新分布...
讨论和结论
我们使用uGMRT观测作为InPTA实验的一部分，首次研究了PSR J1744?1134在300?500 MHz频率范围内的抖动噪声。从所有三种方法获得的结果，即第3节中描述的脉冲级分析、传统方法和贝叶斯分析，清楚地表明在该脉冲星中存在抖动噪声，适用于适当的信噪比历元。鉴于该脉冲星在这些频率下的高信噪比，这是一个强有力的论据...
CRediT作者贡献声明
Jibin Jose：撰写——初稿，验证，调查，形式分析。Manoneeta Chakraborty：撰写——审查与编辑，监督。Neelam Dhanda Batra：撰写——审查与编辑，数据管理。K. Nobleson：撰写——审查与编辑，数据管理。Shantanu Desai：撰写——审查与编辑，数据管理。Manjari Bagchi：撰写——审查与编辑，数据管理。Bhal Chandra Joshi：撰写——审查与编辑，数据管理。Keitaro Takahashi：撰写——审查与编辑，数据...
利益冲突声明
作者声明他们不知道可能影响本论文中报告工作的竞争财务利益或个人关系。
Jibin Jose | Manoneeta Chakraborty | Neelam Dhanda Batra | K. Nobleson | Shantanu Desai | Manjari Bagchi | Bhal Chandra Joshi | Keitaro Takahashi | Shaswata Chowdhury | Churchill Dwivedi | Abhimanyu Susobhanan | Debabrata Deb | Sushovan Mondal | Zenia Zuraiq | Kaustubh Rai | Sharika Dhakappa | Pratik Tarafdar | Kuldeep Meena
