ITU-R RAPPORT RA 2099 FRENCH-2007 Radio observations of pulsars for precision timekeeping《用于精确计时的射电脉冲星观测》.pdf

1、 Rap. UIT-R RA.2099 1 RAPPORT UIT-R RA.2099 Mesure prcise du temps par observation radio des pulsars (Question UIT-R 205/7) (2007) Champ dapplication Le prsent Rapport traite de la possibilit de dater avec une prcision extrme les impulsions radio reues des pulsars millisecondes pour tablir et corrig

2、er de nouvelles chelles de temps astronomique. Aucune modification du Rglement des radiocommunications (RR) nest ncessaire pour mener cette activit. 1 Introduction On appelle pulsars certaines toiles neutrons qui tournent trs rapidement sur elles-mmes et qui mettent un fort rayonnement lectromagntiq

3、ue. Les pulsars actuellement connus ont une masse denviron 1,5 fois la masse du soleil, un diamtre denviron 20 km et des priodes de rotation sur leur axe comprises entre 1,34 ms et 8 ms. De toute vidence, ces corps clestes ont un important moment dinertie et emmagasinent une trs importante nergie de

4、 rotation, de sorte que lon peut les comparer des volants dinertie spatiaux prsentant une priode de rotation stable, caractristique que lon peut exploiter dans un systme de mesure trs prcise du temps astronomique Manchester et Taylor, 1977. En 1993, lUIT a reconnu lintrt de lutilisation potentielle

5、des pulsars dans la mesure prcise du temps et adopt la Question UIT-R 205/7 ainsi que le Vu UIT-R 99 Echelle de temps tablie sur la base de la priode des pulsars (2003). Les pulsars, sources radio pulsantes extrmement stables, ont des dures de vie qui se comptent en millions ou en milliards dannes.

6、On distingue deux grandes catgories de pulsars, tout dabord les objets normalement isols, dont la priode est gnralement comprise entre 0,2 et 8 s, et les pulsars rotation trs rapide, qui constituent souvent des systmes stellaires doubles et que lon appelle pulsars millisecondes, et dont la priode es

7、t comprise entre 1,34 ms et 50 ms. A lheure actuelle, on dnombre plus dune centaine de ces systmes. On pense que les pulsars millisecondes sont ns de la chute de matire arrache une toile compagne: il sagit donc danciens pulsars rallums dont le champ magntique se chiffre environ 104T (108 G). Les pul

8、sars doubles prsentent des priodes orbitales comprises entre quelques heures et plusieurs mois. Leurs paramtres orbitaux peuvent tre dtermins par la datation ultra-prcise de leurs impulsions radio. Certains pulsars millisecondes prsentent une instabilit de priode de rotation ne dpassant pas 0,2 s su

9、r cinq ans, soit 1015. Leur perte de rayonnement est ngligeable, de sorte que lacclration de leur rotation atteint parfois peine 1021 s par seconde, selon une loi gnralement linaire (Manuel de radioastronomie de lUIT-R, 2me dition de 2003). Ainsi, les pulsars nous permettent de disposer dhorloges as

10、tronomiques parfaitement stables et dtablir de nouvelles chelles de temps astronomique, plus prcisment une chelle PT (Pulsar Time-scale) et une chelle DPT (Dynamic Pulsar Time-scale) Ilyasov, Kopeikin et Rodin, 1998. 2 Rap. UIT-R RA.2099 Lextrme stabilit de rotation des pulsars offre la possibilit d

11、appliquer une technique unique pour relever le rapport signal/bruit des profils de rayonnement: nous voulons parler du mode dintgration synchrone (sommation des signaux synchronise sur la priode). Des programmes de datation prcise des impulsions radio des pulsars sont actuellement mens dans divers r

12、adio-observatoires (Allemagne, Australie, Etats-Unis dAmrique, Fdration de Russie, France, Japon, Pays-Bas et Royaume-Uni). 2 Bandes de frquences prfres pour la datation ultra-prcise des impulsions radio des pulsars Des campagnes dobservation de pulsars sont actuellement menes dans un large domaine

13、de frquences, de 10 MHz 40 GHz. Le niveau de bruit de base pouvant tre obtenu dans les observations de radioastronomie est dfini essentiellement dans la gamme des ondes mtriques par le rayonnement galactique de fond, mais, des frquences plus leves, le bruit du rcepteur est dominant. La temprature de

14、 brillance du fond galactique, qui est de plusieurs milliers de degrs kelvin ( K) aux frquences voisines de 100 MHz, tombe 1-10 K 1 GHz, et se caractrise par une puissance surfacique de forme: S ( f ) f dans laquelle lindice spectral est denviron 2,5. Par ailleurs, la puissance surfacique des pulsar

15、s est inversement proportionnelle la frquence, avec un indice spectral denviron 2 (en moyenne). Dans un rcepteur de signaux pulsars, ltage de pramplification faible bruit prsente une caractristique de bruit typique de 10 K, dans le cas des rcepteurs fonctionnant dans la gamme de frquences 1-10 GHz.

16、Donc, si lon veut utiliser les pulsars pour des mesures prcises du temps, le rapport S/N optimal est obtenu lorsque lon fait les observations dans le domaine 0,4-2,0 GHz Ilyasov et autres, 1999. Le rapport signal/bruit augmente paralllement la largeur de bande du rcepteur: le gain de sensibilit dobs

17、ervation dans une largeur de bande f est proportionnel .f On sait bien que les impulsions radio dun pulsar se dispersent lorsquelles se propagent dans le milieu interstellaire, et cette dispersion se traduit par un retard inversement proportionnel au carr de la frquence radio. En consquence, il est

18、prfrable dutiliser de hautes frquences. Le retard de propagation rsultant dpend du contenu lectronique intgr le long de la ligne de vise (mesure de dispersion, DM (dispersion mesure). Il est possible deffectuer une ddispersion du signal en utilisant des techniques faisant intervenir des rcepteurs ba

19、nc de filtres multicanaux dans le domaine temporel ou une ddispersion cohrente dans le domaine frquentiel. Le phnomne de diffusion multitrajet dans le milieu interstellaire a pour effet dlargir les impulsions radio mises par les pulsars, dont la loi de dcroissance est voisine de la quatrime puissanc

20、e de la frquence. Cette constatation est un autre argument en faveur de lutilisation de frquences leves, lorsque cela est possible. La mesure de dispersion nest gnralement pas totalement stable, de sorte que pour faire des datations prcises ( lchelle de la microseconde), il convient de raliser les o

21、bservations, de prfrence simultanment, dans au moins deux bandes de frquences spares par une octave, afin de mesurer les variations de la mesure de dispersion. Les bandes de frquences prfres pour la datation extrmement prcise des impulsions radio mises par les pulsars pour les applications de mesure

22、 prcise du temps sont la bande 1 400-1 427 MHz du service de radioastronomie (SRA), en association avec soit la bande 608-614 MHz soit la bande 406,1-410 MHz attribues la radioastronomie et/ou, dans un petit nombre de cas, la bande 2 690-2 700 MHz. Rap. UIT-R RA.2099 3 3 Niveaux seuil de brouillage

23、Les pulsars sont gnralement des sources radio faibles. Manifestement, il faut obtenir un rapport signal/bruit suffisant pour obtenir une datation prcise des impulsions. En consquence, les observations de datation doivent tre protges de tout brouillage prjudiciable. Les valeurs seuil partir desquelle

24、s les brouillages sont considrs comme prjudiciables la datation de haute prcision sont les valeurs donnes au Tableau 2 de la Recommandation UIT-R RA.569 dans le cas dobservations continuum avec une parabole unique. 4 Autres possibilits de partage de frquences avec dautres services Les observations d

25、e datation ultra-prcise des impulsions radio des pulsars ralises aux fins de ltablissement dune chelle de temps peuvent gnralement tre menes dans les bandes de frquences attribues au SRA. Le service de radioastronomie ne partage les bandes 1 400-1 427 MHz et 2 690-2 700 MHz avec aucun service actif.

26、 Dans la bande 406,1-410 MHz le partage est possible avec le service FIXE et le service MOBILE lexception des services mobiles aronautiques et, dans la bande 608-614 MHz, le partage est possible avec le service de radiodiffusion de Terre (Rgion 1), le service mobile par satellite lexception du servi

27、ce aronautique mobile par satellite (Rgion 2) et les services FIXE, MOBILE, de radionavigation et de radiodiffusion (Rgion 3) du fait que les stations du service de radioastronomie sont installes sur des sites loigns et que les liaisons du service mobile par satellite sont de type Terre vers espace.

28、 5 Les pulsars les plus appropris pour les mesures du temps de haute prcision Pour les mesures du temps de haute prcision, les pulsars les plus appropris sont ceux qui rayonnent les niveaux de puissance surfacique les plus levs et les priodes les plus stables, et que lon peut observer la fois dans l

29、hmisphre Nord et dans lhmisphre Sud. De nouveaux pulsars sont constamment dcouverts, certains faisant partie de systmes trs intressants utiliser pour les mesures du temps de haute prcision: la recherche de nouveaux pulsars entrane un renouvellement constant de la liste des pulsars prfrs. Actuellemen

30、t, lensemble des pulsars qui rpondent aux conditions que nous venons dexposer permet dtablir le Tableau 1 ci-aprs. TABLEAU 1 PSR Ascen-sion droite 2000 Dcli-naison 2000 Priode (ms) Pdot 1015 (s/s) Pb(jours) DM (pc cm3)S400mJy S600mJy S1400mJy S3000mJy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 B1855+09 18:57: 36,39

31、3 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 3,16331582 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

32、 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 7,3 1,4 (0,45) 1,5 4 Rap. UIT-R RA.2099 TABLEAU 1 (fin) PSR Ascen-sion droite 2000 Dcli-naison 2

33、000 Priode (ms) Pdot 1015 (s/s) Pb(jours) DM (pc cm3)S400mJy S600mJy S1400mJy S3000mJy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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 J1909-3

34、744 19:09: 47,438 37:44: 14,318 2,94710802 1,40261051,5334 10,3939 - - - - - Colonne 1 Dnomination du pulsar (dnomination avec B: poque 1950 (1950.0), dnominationavec J: poque (2000.0) Colonnes 2, 3 Coordonnes (ascension droite, dclinaison) Colonne 5 Drive de la priode (seconde/seconde) Colonne 6 Pr

35、iode de systme binaire (jours) Colonne 7 Mesure de dispersion (pc cm3), avec pc = parsec = 3,087 1013km Colonnes 8, 9, 10, 11 Densit spectrale moyenne de puissance surfacique (1029W/m2 Hz) respectivement 400, 600, 1 400 et 3 000 MHz. Les valeurs entre parenthses sont calcules avec lindice spectral ,

36、 la puissance surfacique tant de forme: S ( f ) f Colonne 12 Indice spectral NOTE 1 Les retards de dispersion diffrentiels sur une largeur de bande (BW) donne sont calculs pour toute frquence f partir de la mesure de dispersion DM au moyen de lexpression: GHzMHz3,8 3sfBWDMtsainsi, pour une largeur d

37、e bande de 1 MHz et une mesure de dispersion DM de 10, le retard de dispersion diffrentiel entre les deux bords dune bande de 1 MHz 1,4 GHz est de 30,25 s. 6 Conclusions Le prsent rapport rpond la Question UIT-R 205/7, formul pour ltude de lutilisation des observations de datation extrmement prcise

38、des impulsions radio mises par les pulsars millisecondes aux fins de llaboration et de lactualisation des nouvelles chelles de temps astronomiques PT et DPT. Les bandes de frquences prfres pour les observations ultra-prcises des pulsars dans des applications de mesure prcise du temps sont les bandes

39、 du service de radioastronomie 1 400-1 427 MHz et soit 406,1-410 MHz ou 608-614 MHz et/ou la bande 2 690-2 700 MHz. Les niveaux seuils de brouillage prjudiciable occasionn aux observations ultra-prcises des pulsars sont les niveaux indiqus au Tableau 2 de la Recommandation UIT-R RA.769 pour des obse

40、rvations continuum avec une parabole unique. Rap. UIT-R RA.2099 5 Les bandes du SRA mentionnes ci-dessus, qui sont les bandes prfres, nappellent aucune modification des attributions de frquences ou des modalits de partage avec les services actifs qui partagent ces bandes avec le SRA. On cherche tabl

41、ir une nouvelle chelle de temps stable long terme en utilisant les pulsars les plus appropris comme horloges de rfrence; il sagit de dater avec prcision les impulsions radio des pulsars B1855+09, B1937+21, J1640+2224, J1713+0750, J0437-4715, J0613-0200, J1024-0719, J1744-1134 et J1907-3744. De nouve

42、aux pulsars sont constamment dcouverts, certains dans des systmes trs intressants pour les mesures du temps de haute prcision: les recherches actuelles de nouveaux pulsars entranent un renouvellement constant de la liste des pulsars prfrs. La liste des objets (candidats) est certainement appele sall

43、onger avec le temps. Rfrences bibliographiques ILYASOV, KOPEIKIN et RODIN 1998 Astronomy Letters, Vol. 24, p. 275. ILYASOV, KUZMIN, SHABANOVA et SHYTOV 1999 Pulsar time-scale, Lebedev Proc., Vol. 199. MANCHESTER et TAYLOR 1977 Pulsars, Freeman, San Francisco, CA. UIT, Manuel de radioastronomie, 2me dition de 2003.