暴发式单脉冲搜寻及应用研究

作     者：王性川 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院国家授时中心) 

学位级别：硕士

导师姓名：罗近涛

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070401[理学-天体物理] 0704[理学-天文学] 

主      题：单脉冲搜寻 快速射电暴 巨脉冲 系统时延 

摘      要：本论文结合中国科学院国家授时中心“十四五发展规划,开展了脉冲星观测的相关研究。建立暴发式单脉冲搜寻系统,对快速射电暴SGR 1935+2154以及Crab脉冲星巨脉冲进行观测研究,并利用Crab脉冲星辐射的巨脉冲信号,开展了时间同步的研究。 传统的脉冲星搜寻技术采用周期折叠的方式,在提高搜寻信噪比的同时忽略了明亮的非周期的天体信号;单脉冲搜寻不对信号进行折叠,通过匹配滤波的方式寻找明亮的非周期信号。快速射电暴、巨脉冲、旋转射电暂现源等都需要使用单脉冲搜寻的方式进行观测研究。 目前,常用的单脉冲搜寻数据处理软件有两个,一个是基于CPU的PRESTO,另一个为基于GPU的HEIMDALL。使用洛南40米射电望远镜观测的PSR J0332+5434的数据对两款软件进行测试比对,最终确定基于PRESTO软件建立单脉冲搜寻系统。单脉冲搜寻中消色散是最耗时的环节,针对PRESTO单脉冲搜寻流程中的消色散环节采用Python语言编写程序实现并行化处理,充分发挥服务器CPU的性能,有效缩短了单脉冲搜寻处理的时间,并通过使用三台硬件配置不同的服务器对同一数据进行处理,分析了影响处理速度的因素。 使用建立的单脉冲搜寻系统,在SGR 1935+2154的活跃期间对其进行观测,PRESTO软件处理完毕后,使用RRATtrap工具对单脉冲候选体进行分组筛选,对评分3以上的34组候选体进行人工识别,没有发现暴发事件。没有探测到快速射电暴的原因可能是在观测期间,SGR 1935+2154并没有产生流量高于40米射电望远镜灵敏度的暴发信号。 对脉冲星发射的强单脉冲以及巨脉冲进行观测研究,有助于了解脉冲星的辐射特性和具体的辐射机制,对脉冲星的理论模型研究等方面发挥着重要作用。2022年8月9日至8月12日,对Crab脉冲星进行了巨脉冲观测研究。在4.5小时的观测数据中,一共探测到信噪比大于5的巨脉冲的数量为5746,其中在主脉冲辐射窗口中共有5440个巨脉冲,中间辐射窗口中共有306个巨脉冲,巨脉冲主要出现在主脉冲辐射窗口之中。普通脉冲星的能量累积分布为高斯分布,而巨脉冲的能量累积分布为幂分布。通过对探测到的巨脉冲能量分布直方图做幂拟合,幂指数为-2.2,符合幂分布规律。 目前,全球导航卫星定位系统是远距离高精度时间比对的主要手段,对于地月之外的宇宙学距离,采用该方法难度较大。巨脉冲是脉冲星辐射中最突出的射电暴发现象,有些巨脉冲不仅流量密度高,而且脉冲宽度极窄,脉冲星的巨脉冲为实现外太空的时间比对提供了可能。利用中国科学院国家授时中心洛南40米射电望远镜,研究了基于巨脉冲观测进行远程时间比对的方法,并利用Crab脉冲星巨脉冲的观测结果进行了初步验证。两个时间参考信号不同的观测系统同时对射电望远镜接收到的Crab脉冲星信号进行独立观测,一共观测四次,共观测4.5小时。经数据处理分析发现,Crab脉冲星发射的同一巨脉冲信号在两个系统中到达时间不同,两个系统之间的时间延迟主要为巨脉冲到达时间之差。采用三次样条内插法和高斯拟合法对巨脉冲的轮廓拟合,使用拟合轮廓的峰值相位计算巨脉冲的到达时间。对测量系统时延的误差进行了统计,结果表明:利用原始轮廓的峰值相位测得的均方根误差小于57μs,三次样条内插法测得的均方根误差小于13μs,高斯拟合法测得的均方根误差小于7μs。相较于利用原始轮廓的峰值相位测量系统误差,采用三次样条内插法以及高斯拟合法对于系统延迟的精度分别提升了3.9倍和8.6倍。这些工作为利用射电暴发信号进行远程时间同步进行了初步验证。