ITU-R INFORME RA 2099 SPANISH-2007 Radio observations of pulsars for precision timekeeping《精密计时脉冲星射电观测》.pdf

1、 I. UIT-R RA.2099 1 INFORME UIT-R RA.2099 Observaciones radioelctricas de los plsares para controlar la precisin de las seales de tiempo (Cuestin UIT-R 205/7) (2007) Cometido Este Informe examina la posibilidad de utilizar observaciones radioelctricas de temporizacin de alta precisin de plsares de m

2、ilisegundos para construir y mantener nuevas escalas de tiempo astronmico basadas en los plsares. Esta actividad no exige ningn cambio en el Reglamento de Radiocomunicaciones (RR). 1 Introduccin Los plsares son estrellas de neutrones que poseen un intenso campo magntico y tienen una velocidad de rot

3、acin muy rpida. Actualmente se conocen plsares con masas del orden de 1,5 veces la masa solar, dimetro de unos 20 km y periodos de rotacin sobre el eje desde 1,34 ms hasta 8 s. Evidentemente los plsares presentan momentos de inercia muy elevados y grandes cantidades de energa rotacional, por consigu

4、iente, pueden considerarse como volantes de inercia espaciales con periodos de rotacin estables que pueden emplearse para establecer seales de tiempo astronmico de precisin Manchester y Taylor 1977. En 1993, la UIT reconoci la posible utilizacin de los plsares para controlar la precisin de las seale

5、s de tiempo y adopt la Cuestin UIT-R 205/7, as como el Ruego UIT-R 99 Escala de tiempo basada en la temporizacin de plsares (2003). Los plsares, como fuentes de impulsos radioelctricos regulares, tienen unos tiempos de vida de millones a miles de millones de aos. Hay dos grupos bien conocidos de pls

6、ares. El primero de ellos est constituido por objetos normalmente aislados que generalmente tienen periodos de rotacin de 0,2 s a 8 s. Al segundo grupo corresponden los plsares de rotacin muy rpida que se encuentra a menudo en sistemas estelares binarios y son los denominados plsares de milisegundos

7、 con periodos de rotacin de 1,34 ms a 50 ms. Actualmente se conocen ms de 100 de estos sistemas. Se cree que los plsares de milisegundos se originan por acumulacin de la masa de una estrella de neutrones con la de una compaera de la misma. Por consiguiente, se trata de plsares antiguos reciclados qu

8、e tienen campos magnticos de unos 104T (108 G). Los plsares en sistemas binarios prximos tienen periodos orbitales que oscilan desde unas pocas horas hasta varios meses, Sus parmetros orbitales pueden determinarse mediante observaciones radioelctricas de temporizacin de alta precisin. Algunos plsare

9、s de milisegundos presentan inestabilidades en el periodo de rotacin axial que pueden llegar a ser tan pequeas como 0,2 s a lo largo de un periodo de cinco aos; es decir, una inestabilidad fraccionaria de 1015. Sus prdidas de radiacin son despreciables y, por lo tanto, el periodo de rotacin de algun

10、os sistemas aumenta una cantidad que en algunos casos puede ser tan reducida como 1021 s/s (es decir, segundos por segundo), y normalmente de manera lineal en el tiempo (Manual de Radioastronoma UIT-R, 2 Edicin, 2003). 2 I. UIT-R RA.2099 Por consiguiente, los plsares pueden proporcionar a los seres

11、humanos unos relojes espaciales extremadamente regulares que permiten la generacin de nuevas escalas de tiempo astronmico basadas en plsares, tales como la escala de tiempo plsar (PT) y la escala de tiempo plsar dinmica (DPT) Ilyasov, Kopeikin y Rodin, 1998. La extrema estabilidad rotacional de los

12、plsares permite la aplicacin de una tcnica nica para aumentar la relacin S/N de los perfiles del plsar; el modo de integracin sncrono, en el que la seal se suma de manera sncrona con el periodo del plsar. En diversos observatorios de radioastronoma de Australia, Francia, Alemania, Japn, Pases Bajos,

13、 Federacin de Rusia, Reino Unido y Estados Unidos de Amrica se estn llevando a cabo programas de temporizacin de plsares de precisin. 2 Bandas de frecuencias preferidas para las observaciones de las seales de tiempo de alta precisin de los radioplsares Las observaciones de los plsares normalmente se

14、 realizan en una amplia gama de frecuencias que va desde 10 MHz hasta 40 GHz. El nivel de ruido bsico que puede lograrse en las observaciones de radioastronoma se define fundamentalmente en la gama de longitudes de onda de metros por la radiacin de fondo galctico aunque a frecuencias ms elevadas el

15、ruido del receptor es el predominante en el ruido total. La temperatura de brillo del fondo galctico disminuye desde varios miles de grados kelvin (K) a frecuencias de unos 100 MHz hasta 1-10 grados K a 1 GHz y se caracteriza por una densidad de flujo S ( f ) f donde el ndice espectral toma un valor

16、 aproximado de 2,5. Por otro lado, la densidad de flujo de los plsares disminuye con la frecuencia, siguiendo un ndice espectral de aproximadamente 2 (como media). Un preamplificador de bajo nivel de ruido en un receptor de plsar normalmente presenta una temperatura de ruido de 10 grados K para los

17、receptores en la gama de frecuencias 1-10 GHz. Por consiguiente, al utilizar plsares para las seales de tiempo de alta precisin, el valor ptimo de la relacin S/N se logra realizando las observaciones en la gama 0,4-2,0 GHz Ilyasov y otros, 1999. La relacin S/N aumenta con la anchura de banda del rec

18、eptor: la ganancia en la sensibilidad observada para una anchura de banda f es proporcional a .f Es bien sabido que los impulsos de un plsar se dispersan a medida que se propagan a travs del medio interestelar de manera que la magnitud del retardo resultante en el tiempo de llegada del impulso dismi

19、nuye con el cuadrado de la frecuencia. Desde este punto de vista, es preferible utilizar frecuencias ms elevadas. La magnitud del retardo resultante depende de la densidad de electrones a lo largo de la lnea de visibilidad del plsar y se caracteriza por la medida de la dispersin (MD). Los efectos de

20、 la dispersin pueden eliminarse de la seal utilizando tcnicas basadas en receptores con bancos de filtros multicanal en el dominio del tiempo o desdispersin coherente en el dominio de la frecuencia. La dispersin multitrayecto en el medio interestelar provoca un ensanchamiento de los impulsos de la e

21、misin radioelctrica procedente de los plsares, que disminuye aproximadamente como la cuarta potencia de la frecuencia. Esto tambin es un argumento para utilizar frecuencias ms elevadas en la temporizacin de plsares, cuando sea posible. Por regla general, la medida de la dispersin no es completamente

22、 estable, por consiguiente, una temporizacin precisa de los plsares a nivel de microsegundos requiere observaciones, realizadas preferentemente de manera simultnea, en al menos dos bandas de frecuencias separadas por una octava, para medir los cambios en la medida de la dispersin. 3 I. UIT-R RA.2099

23、 Las bandas de frecuencias preferidas para las observaciones de temporizacin de alta precisin de los plsares para seales de tiempo de precisin son la banda del servicio de radioastronoma (SRA) 1 400-1 427 MHz, conjuntamente con cualquiera de las bandas 608-614 MHz o 406,1-410 MHz de radioastronoma y

24、/o en unos pocos casos, la banda 2 690-2 700 MHz. 3 Niveles umbral de interferencia Los plsares son generalmente fuentes radioelctricas dbiles. Evidentemente es necesario lograr un valor de la relacin S/N significativo para obtener una medicin precisa del instante de llegada (TOA, time of arrival) d

25、e los impulsos de un plsar. Por consiguiente, es preciso proteger las observaciones de seales de tiempo de plsares de alta precisin contra la interferencia perjudicial. Los niveles umbral para la interferencia perjudicial causada a la temporizacin de los plsares de alta precisin son los que figuran

26、en el Cuadro 2 de la Recomendacin UIT-R RA.769 para observaciones del continuum con parbola nica. 4 Viabilidad de la comparticin de frecuencias con otros servicios Las observaciones de temporizacin de alta precisin de los plsares destinados a mantener una escala de tiempos basada en plsares pueden r

27、ealizarse normalmente utilizando las bandas de frecuencias atribuidos al SRA. La radioastronoma no comparte las bandas 1 400-1 427 MHz y 2 690-2 700 MHz con ningn servicio activo. En la banda 406,1-410 MHz es posible la comparticin con los servicios FIJO y MVIL, salvo mvil aeronutico, y en la banda

28、608-614 MHz es posible la comparticin con el servicio de radiodifusin terrenal (Regin 1), el servicio mvil por satlite, salvo mvil aeronutico, (Regin 2) y los servicios FIJO, MVIL, de radionavegacin y de radiodeterminacin (Regin 3) pues las estaciones del SRA estn ubicadas en emplazamientos distante

29、s y los enlaces del servicio mvil por satlite son en sentido Tierra-espacio. 5 Plsares ms adecuados para utilizacin en seales de tiempo de alta precisin A efectos de establecer seales de tiempo de alta precisin, los plsares ms adecuados son los que presentan las mayores densidades de flujo de potenc

30、ia radioelctrica y los periodos ms estables, y que pueden observarse tanto desde el Hemisferio Norte como desde el Hemisferio Sur. Constantemente se estn descubriendo nuevos plsares y algunos de ellos se encuentran en sistemas que pueden utilizarse para mejorar la precisin de las seales de tiempo: m

31、ediante encuestas sobre plsares se ha elaborado una lista de los plsares dinmicos preferidos. El conjunto de plsares que cumplen actualmente estas condiciones figura en el Cuadro 1. 4 I. UIT-R RA.2099 CUADRO 1 Plsar Ascensin recta 2000 Decli- nacin 2000 Periodo del plsar (ms) Pdot 1015 (s/s) Pb(das)

32、 MD (pc cm3)S400mJy S600mJy S1400mJy S3000mJy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 B1855+09 18:57: 36,393 09:43: 17,323 5,36210045 1,78 105 12,32 13,309 31 (16,3) 4,3 1,5 1,6 B1937+21 19:39: 38,558 21:34: 59,137 1,55780647 1,05 104- 71,040 240 (100) 16 4,0 2,17 J1640+2224 16:40: 16,742 22:24: 08,941 3,1633158

33、2 2,8 106175,4 18,426 37 (16) 3 0,7 2,1 J1713+0750 17:13: 49,530 07:47: 37,526 4,57013652 8,53 10667,82 15,989 36 (16) 3 0,8 2,0 J0437-4715 04:37: 15,786 47:15: 08,462 05,7574518 5,73 1055,741 2,6469 550 300 142 (61,4) 1,1 J0613-0200 06:13: 43,973 02:00: 47,097 3,06184404 9,572 1061,198 38,779 21 7,

34、3 1,4 (0,45) 1,5 J1024-0719 10:24: 38,700 07:19: 18,915 5,16220455 1,8529105- 6,491 4,6 4,2 0,66 (0,18) 1,7 J1744-1134 17:44: 29,391 11:34: 54,575 4,07454588 8,9405 106- 3,1388 18 16 3 (0,76) 1,8 J1909-3744 19:09: 47,438 37:44: 14,318 2,94710802 1,40261051,5334 10,3939 - - - - - Columna 1 Nombre del

35、 plsar (el nombre B se refiere a la poca B(1950.0) y el nombre J a la poca J(2000.0) Columnas 2, 3 Coordenadas del plsar (ascensin recta, declinacin) Columna 5 Derivada del periodo del plsar (s/s) Columna 6 Periodo del sistema binario (das) Columna 7 Medida de la dispersin (pc cm3 ), donde pc = pars

36、ec = 3,087 1013km. Columnas 8, 9, 10, 11 Densidad de flujo de potencia espectral media (1029W/m2 Hz) a 400, 600, 1 400 y 3 000 MHz, respectivamente. Los valores entre parntesis se calculan mediante el ndice espectral , donde la densidad de flujo: S ( f ) f Columna 12 ndice espectral NOTA 1 El retard

37、o dispersivo diferencial a lo largo de una anchura de banda (BW) se calcula para cualquier frecuencia f a partir de la MD mediante la siguiente frmula: sfBWMD , ts3GHzMHz38 de manera que para una BW de 1 MHz y una MD de 10, el retardo dispersivo diferencial entre los dos bordes de una banda de 1 MHz

38、 a 1,4 GHz es 30,25 s. 6 Conclusiones Este Informe responde a la Cuestin UIT-R 205/7 que se formul para explorar la utilizacin de las observaciones de temporizacin de alta precisin de los plsares de milisegundos para la construccin y mantenimiento de nuevas escalas de tiempo astronmico basadas en pl

39、sares, PT y DPT. Las bandas de frecuencias preferidas para las observaciones de temporizacin de alta precisin de los radioplsares a efectos de establecer seales de tiempo de precisin son las bandas del SRA 1 400-1 427 MHz y cualquiera de las bandas 406,1-410 MHz o 608-614 MHz, y/o la banda 2 690-2 7

40、00 MHz. 5 I. UIT-R RA.2099 Los niveles umbral de interferencia perjudicial para la temporizacin de plsares de alta precisin son los que figuran en el Cuadro 2 de la Recomendacin UIT-R RA.769 para observaciones del continuum con una sola parbola. Las bandas del SRA preferidas antes mencionadas no exi

41、gen ninguna modificacin en las atribuciones de frecuencias o en las disposiciones de comparticin con ninguno de los servicios activos que comparten las bandas con el SRA. El objetivo final de proporcionar una nueva escala de tiempo estable y a largo plazo utilizando los plsares ms adecuados como rel

42、ojes de referencia se logra realizando observaciones de temporizacin de precisin de los plsares B1855+09, B1937+21, J1640+2224, J1713+0750, J0437-4715, J0613-0200, J1024-0719, J1744-1134 y J1907-3744. Constantemente se estn descubriendo nuevos plsares y algunos de ellos se encuentran en sistemas que

43、 pueden utilizarse para mejorar la precisin de las seales de tiempo: mediante encuestas sobre plsares se ha elaborado una lista de los plsares dinmicos preferidos. Esta lista indudablemente aumentar con el paso del tiempo. Referencias Bibliogrficas ILYASOV, KOPEIKIN and RODIN 1998 Astronomy Letters, Vol. 24, p. 275. ILYASOV, KUZMIN, SHABANOVA y SHYTOV 1999 Pulsar time-scale, Lebedev Proc., Vol. 199. MANCHESTER and TAYLOR 1977 Pulsars, Freeman, San Francisco, CA. Manual de Radioastronoma UIT-R, 2 Edicin, 2003. _