Содержание
Введение...................................................................5
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕР ТАЦИИ........................................10
Глава 1. Проблемы создания аппаратурного комплекса для хронометрирования пульсаров.........................................14
1.1. Анализ радиоизлучения пульсаров...................................14
1.2. Методы регистрации радиоизлучения пульсаров.......................18
1.2.1. Чувствительность пульсарного комплекса......................19
1.2.2. Способы компенсации дисперсионного уширения импульса пульсара..............................................'...........23
1.3. Существующие нульсарные комплексы радиоастрономических обсерваторий мира.......................................................27
1.3.1. Пульсарный комплекс Путинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАП.............................................28
1.3.2. Пульсарный комплекс обсерватории Эффельсберг института радиоастрономии общества Макса Планка (Бонн, Германия) 28
1.3.3. Пульсарный комплекс обсерватории Джодрелл Бэнк
(Англ ия)................................................... 31
1.3.4. Пульсариые комплексы обсерватории Аресибо (США).............31
1.3.5. Пульсарный комплекс радиотелескопа WSRT (Westerbork Synthesis Radio Telescope - Нидерланды)...........................34
1.3.6. Пульсарный комплекс Касимского центра космических исследований Центрального научно-исследовательского института связи (CRL) - (Япония)..................................35
1.4. Выводы к главе 1..................................................36
Глава 2. Пульсарный комплекс дециметрового диапазона ПРАО АКЦФИАН на радиотелескопе ТНА-1500 (Калязин)..................38
2.1. Радиотелескоп TIIA-1500 ОКБ МЭИ (Калязин).........................39
2.2. Приемные системы пульсарного комплекса радиотелескопа ТНА-
1500 диапазонов 0,6; 1,4; 2,3 и 8,3 ГГц............................41
2.3. Основные требования к аппаратурному комплексу для хронометрирования пульсаров.............................................44
2.3.1. Полоса частот пульсарного комплекса в диапазоне 600 МГц 45
2.3.2. Метод носчроения и число каналов регистратора пульсарного комплекса.........................................................46
2.4. Макетный вариант пульсарного комплекса............................49
2.4.1. Синтезирование наблюдаемого периода пульсара................50
2
2.4.2. Синхронное накопление импульсов пульсара на длительном
интервале времени............................................53
2.5. Пульсарный комплекс АС-600/160 ПРАО АКЦ ФИАН на
радиотелескопе ТНА-1500 ОКБ МЭИ (г. Калязин).......................57
2.5.1. Радиочастотный тракт комплекса АС-600/160...................57
2.5.2. Регистрирующая часть комплекса АС-600/160...................61
2.5.3. Комплекс программ для наблюдений пульсаров «PIIAS»..........65
2.6. Инструментальные погрешности хронометрирования пульсаров 66
2.6.1. Погрешности определения МНИ, возникающие в радиочастотном тракте комплекса АС-600/160.........................67
2.6.2. Влияние нестабильности частоты приема на погрешность определения МПИ....................................................68
2.6.3. Групповое время запаздывания (ГВЗ) сигнала в радиочастотном тракте приемной системы.............................70
2.6.4. Погрешности регистратора в определении МПИ..................71
2.6.5. Погрешности привязки момента регистрации импульса к местной шкале времени..............................................74
2.6.6. Погрешности местной шкалы времени...........................75
2.6.7. Суммарная инструментальная погрешность хронометрирования пульсарного комплекса ЛС-600/160.................76
2.7. Выводы к главе 2..................................................76
Глава 3. Прецизионная Служба единого времени ПРАО АКЦ ФИАН
- метрологическая база хронометрировании пульсаров......................79
3.1. Ква1ттовые стандарты частоты и времени............................80
3.2. Аппаратура сличения и привязки шкал времени.......................82
3.2.1. Спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и GPS.............83
3.2.2. Телевизионный канал (ТВ-канал) сличения шкал времени........86
3.2.3. Привязка шкал времени с помощью транспортируемых квантовых часов....................................................87
3.3. Служба единого времени ПРАО АКЦ ФИАН (г. Пущино)..................88
3.4. Служба единого времени ПРАО АКЦ ФИАН на радиотелескопе
ТНА-1500 ОКБ МЭИ (г. Калязин)......................................92
3.5. Метод ведения и метрологические характеристики местной шкалы
времени ПРАО АКЦ ФИАН..............................................96
3.5.1. Методика обработки результатов сличений шкалы времени ПРАО АКЦ ФИАН со шкалой UTC........................................98
3.5.2. Метрологические характеристики местной шкалы времени ПРАО АКЦ ФИАН.....................................................100
3.5.3. Метрологические характеристики водородных стандартов частоты СЕВ ПРАО АКЦ ФИАН.........................................106
3
3.6. Выводы к главе 3................................................107
Глава 4. Наблюдения пульсаров на комплексе АС-600/160.................108
4.1. Методика наблюдений пульсаров на комплексе АС-600/160...........108
4.2. Проведение сеанса наблюдений....................................110
4.2.1. Тсстирование приемно-регистрирующего комплекса............110
4.2.2. Сеанс наблюдения пульсара.................................112
4.2.3. Калибровка чувствительности пульсарного комплекса.........114
4.3. Результаты наблюдений пульсаров на комплексе АС600/160..........116
4.3.1. Чувствительность и потенциальные возможности пульсарного комплекса............................................116
4.3.2. Результаты хронометрирования пульсаров....................121
4.4. Выводы к главе 4................................................123
5 Заключение............................................................124
Литература .............................................................126
4
Введение.
Исследования пульсаров с момента их открытия в 1967 г. существенно расширили знания в области астрофизики, теории относительности, космологии, физики твердого тела, квантовой механики. При этом актуальность исследований пульсаров с течением времени не снижается: возникают связанные с пульсарами новые научные направления, развивается экспериментальная база и методы наблюдений пульсаров.
Одним из основных методов исследования пульсаров являегся точное определение моментов прихода импульсов (МПИ) пульсаров - хронометрирование. В астрометрии важной задачей является сопоставление динамической системы отсчета на небе с квазиинерциальной квазарной системой. Определение координат пульсаров как по результатам хронометрирования, гак и радиоинтер-ферометрическими методами, позволяет решать эту задачу. Наличие пульсаров в двойных звездных системах дает в руки исследователей мощный инструмент для теста альтернативных теорий гравитации путем наблюдения релятивистских эффектов. Импульсный характер радиоизлучения, высокая стабильность периода вращения и точечный угловой размер пульсаров позволяют использовать их в качестве зондов межзвездной среды.
Высокостабильный период пульсаров является определяющим для построения новой астрономической шкалы времени, дополняющей атомную шкалы времени и сопоставимой с ней но стабильности на длительных интервалах порядка года и более. Специалисты ФИАН и ВНИИФТРИ Госстандарта СССР в 1979 г. предложили новую астрономическую шкалу времени, хранителями которой стали пульсары, а сама шкала получила название Пульсарной шкалы времени - РТ.
Прецизионное хронометрирование двойных пульсаров, возможно, позволит обнаружить и оцепить по вариациям орбитальных параметров интенсивность фона низкочастотного стохастического гравигационного излучения, образовавшегося на ранних стадиях эволюции Вселенной. Одновременный многочастотный прием импульсных сигналов пульсаров даст исследователю уникальную информацию о межзвездной среде. Данные хронометрирования двойных
5
пульсаров позволяют с высокой точностью определять массы компаньонов, входящих в двойную систему, параметры орбиты системы.
Исследования пульсаров ведутся на многих радиоастрономических обсерваториях мира. За более чем 30 лет, прошедших со дня открытия пульсаров, создано большое число разнообразных аппаратурных комплексов на крупнейших радиотелескопах для решения различных наблюдательных задач в широком диапазоне частот от 10 МГц до 80 ГГц.
В России экспериментальная база для исследования пульсаров создана на Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра ФИ АН (ПРАО АКЦ ФИАН). Наблюдения пульсаров здесь ведутся в метровом диапазоне радиоволн (40 - 120 МГц) на радиотслескопах ДКР-1000 и БСА ФИАІІ. В силу значительного влияния межзвездной среды на распространение радиоизлучения пульсаров в этом диапазоне волн высокоточное хронометрирование миллисекундных пульсаров практически не реализуемо, а для ряда миллисекундных пульсаров (например для РББ. В1937+21) происходит расширение импульса на величину периода пульсара уже в полосе частот 2,5 кГц (на частоте 100 МГц). В то же время, для решения ряда перечисленных выше научных задач высокая точность хронометрирования (порядка 1 мке) является необходимым условием. В работе [1] показано, что оптимальным для высокоточного хронометрирования пульсаров является дециметровый диапазон радиоволн.
Актуальность создания новой экспериментальной базы в этом диапазоне волн в первую очередь обусловлена задачей высокоточного хронометрирования пульсаров. Кроме этого, пульсарный комплекс дециметрового диапазона расширит возможности для исследований пульсаров на российской экспериментальной базе и по другим вышеупомянутым научным задачам.
В начале 90-х годов были закончены работы на новом полноповоротном радиотелескопе дециметрового и сантиметрового диапазонов с диаметром зеркала 64 м - ТНА-1500 ОКБ МЭИ (Тверская обл., г.Каїязин). Этот радиотелескоп по своим парамелрам обеспечивает высокую чувствилельноеть для создания на его базе пульсарного комплекса дециметрового диапазона волн.
Целью работы является создание в ПРАО АКЦ ФИАН экспериментальной базы для прецизионного хронометрирования пульсаров, а именно - раз-
6
работка и формирование пульсарного комплекса дециметрового диапазона для высокоточного хронометрирования миллисекундных пульсаров на базе радиотелескопа ТНА-1500 ОКБ МЭИ и прецизионной Службы единого времени (СЕВ) ПРАО АКЦ ФИАН на основе квантовых стандартов частоты (Пущино, Калязин). Научная новизна работы состоит в том, что:
■ Создан многочастотный аппаратурный комплекс для высокоточного хронометрирования пульсаров в дециметровом диапазоне радиоволн.
■ Разработана методика наблюдений миллисекундных и двойных пульсаров в дециметровом диапазоне радиоволн на полноповоротном радиотелескопе ТНА-1500.
■ Создана прецизионная Служба единого времени ПРАО АКЦ ФИАН на основе рубидиевых и водородных стандартов частоты, обеспечивающая радиоастрономические исследования на радиотелескопах ПРАО ФИАН как по программам хронометрирования пульсаров, так и работу радиотелескопов РТ-22 (Пущино) и ТНА-1500 (Калязин) в качестве пунктов радиоиитерферометра со сверхдлинной базой (PCДБ) в российской и международной сети РСДБ.
■ СЕВ ПРАО АКЦ ФИАН автоматизирована на базе ЭВМ и использует два канала (GPS и ТВ) для синхронизации и поверки шкаты времени. Разработана методика ведения местной шкаты времени на рубидиевых стандартах частоты.
■ Впервые в России проведен цикл наблюдений по программе хронометрирования миллисекундных пульсаров, в том числе и в двойных системах.
Научная и практическая ценность работы заключается в новой экспериментальной базе дециметрового диапазона волн для прецизионного хронометрирования пульсаров на радиотелескопе ТНА-1500, что дает возможность решения вышеперечисленных задач в области астрофизики, астрометрии и метроло-гни времени. Многочастотная приемная система пульсарного комплекса может использоваться и для других научных задач наблюдательной радиоастрономии.
В результате выполненной работы появилась возможность на российской экспериментальной базе вести исследования пульсаров с регистрацией радиоизлучения пульсаров в дециметровом (600 МГц - Калязин) и метровом (111 МГц - Пущино) диапазонах радиоволн. Двухчастотные наблюдения пульсаров предоставляют новые возможности для изучения как самих пульсаров, гак и
7
межзвездной среды. В том числе, возможен и одновременный прием на четырех частотах (0,6; 1,4; 2,2 и 8,3 ГГц), что представляется ценным для спектральных исследований пульсаров, их микроструктуры и гигантских импульсов.
Прецизионная Служба единого времени ПРЛО АКЦ ФИЛН в г.Пущино и г.Калязин обеспечивает хронометрирование пульсаров и работу радиотелескопов РТ-22 и 'ГНА-1500 в PC ДБ сетях. Впервые в России ведется высокоточное хронометрирование миллисекундных и двойных пульсаров.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на:
■ Международной конференции «Применение средств измерений времени и частоты в народном хозяйстве стран - членов СЭВ» (Москва.1987),
■ XXI Всесоюзной конференции по радиоастрономической аппаратуре (Ере-ван, 1989),
■ XXV, XXVI и XXVII Радиоастрономических конференциях (Пущино, 1993; Санкт-Петербург, 1995, 1997),
■ XXIII и XXIV Генеральных ассамблеях URSI (Прага 1990, Киото 1993),
■ Всесоюзном симпозиуме по исследованиям в области измерений времени и частоты, (Менделеево, 1990),
■ V Российском симпозиуме «Метрология пространства и времени» (Менделеево, 1994),
■ 177 коллоквиуме MAC «Pulsar astronomy - 2000 and beyond», (Бонн 1999),
■ также на семинарах и научных сессиях ПРАО АКЦ ФИЛИ, АКЦ ФИАН. Основное содержание работы опубликовано в 29 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 133 страниц, включая список литературы из 88 библиографических ссылок, 8 таблиц, 43 рисунков и 3 фотографий.
В диссертации обобщены результаты работ по созданию экспериментальной базы для высокоточного хронометрирования пульсаров. Автор работал в этом направлении с 1986 года. Личный вклад автора:
1. Внедрение в состав Службы единого времени квантовых стандартов частоты и нового поколения аппаратуры сличения шкал времени (ТВ и GPS). Разработка методики ведения местной шкалы времени [1-5,7,8,16,23].
8
2. Активное участие в разработке и создании приемно-регистрирующего комплекса ЛС-600/160 [11.14,20,22,26]. Разработан программируемый синтезатор периода пульсара, выполнены работы по привязке момента регистрации импульса пульсара к местной шкале времени. Проведены работы по автоматизации наблюдений на основе персональною компьютера и интерфейса стандарта КЛМАК.
3. Ведущее участие в разработке методики наблюдений миллисекундных пульсаров и проведение первых в России наблюдений пульсара В1937+21 на радиотелескопе Т11А-1500 ОКБ МЭИ (Медвежьи Озера) в 1993г. (9,10,13,15,17-19,21].
4. Отладка методики и запуск регулярных наблюдений по программе хронометрирования миллисекундных пульсаров. Автором выполнены работы но формированию и системной отладке пульсарного комплекса на радиотелескопе ТНА-1500 ОКБ МЭИ (Калязин), [22,24,25,26,28,29].
5. Исследование свойств и параметров пульсарного комплекса АС-600/160 [27].
Автор выносит на защиту следующие основные результаты:
1) Многочастотный пульсарный комплекс радиотелескопа ТНА-1500 (г.Калязин), в том числе:
■ Приемно-регистрирующую аппаратуру для хронометрирования пульсаров на частоте 600 МГц - ЛС-600/160. В этой системе впервые в мире реализован аппаратно-программный синтез наблюдаемого периода для миллисекундных пульсаров.
■ Прецизионную Службу единого времени ПРАО ФИЛН на основе квантовых стандартов частоты. СЕВ ПРАО ФИАН является метрологической базой как для хронометрирования пульсаров, так для и проведения наблюдений в составе радиоинтерферометра со свсрхдлинной базой.
2) Результаты исследования параметров созданного пульсарного комплекса.
3) Методику ведения местной шкалы времени.
4) Методику наблюдений миллисекундных и двойных пульсаров на полноповоротиом радиотелескопе ТНА-1500.
9
5) Впервые в России ведется регулярное хронометрирование миллисекундных пульсаров. На защиту выносятся результаты первых наблюдений пульсаров на частоте 600 МГц, в том числе миллисекундных и двойных.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.
1) Илясов Ю.П., Федоров Ю.А., Вдовин A.C., Орешко В.В.. Телевизионная привязка шкалы времени РАС ФИАН СССР к шкале времени ГЭВЧ.// «Применение средств измерений времени и частоты в народном хозяйстве стран -членов СЭВ», тезисы докладов, 1987, с.99.
2) Федоров Ю.А., Илясов Ю.ГГ, Вдовин A.C., Орешко В.В. Синхронизация стандартов времени и частоты радиоастрономической станции ФИЛИ с государственным эталоном времени и частоты.// Измерительная техника. 1989, №, с.27-28.
3) Вдовин A.C., Илясов Ю.П., Орешко В.В., Федоров Ю.А. Служба времени для ведения Пульсарной шкалы на радиоастрономической станции ФИАН.// Госстандарт. Труды ВНИИФТРИ.1989,с.46-58.
4) Вдовин A.C., Илясов ЮЛ 1., Орешко В.В., Федоров Ю.А. Аппаратурный комплекс РАС ФИАН для привязки сигналов пульсаров к шкале Госэталона.// XXI радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов, 1989, с.57.
5) Илясов Ю.П., Орешко В.В., Федоров Ю.А. Методы ведения местной шкалы времени РАС ФИЛИ.// XXI радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов, 1989, с.357-358.
6) Doroshenko О.V., Ilyasov Yu.P., Oreshko V.V., Kopejkin C.M. Pulsar timing observation and high precision reduction algorithm.// XXIII General assemly of URSI, 1990, abstracts, v.l, p.282.
7) Илясов Ю.П., Орешко В.В., Федоров Ю.А. Метод обработки результатов внешних сличений шкалы времени РАС ФИАН.// Госстандарт. Труды ВНИИФТРИ. 1990, с.55-59.
8) Иванова Ю.Д. , Орешко В.В., Федоров Ю.А. , Ци-Мох И.В. Использование системы спутникового телевизионного вещания «Москва» для сличения шкал времени.// IV Всесоюзный симпозиум по исследованиям в области измерений времени и частоты. Тезисы докладов. 1990, с. 167-169.
10
9) Белов Ю.И., Илясов Ю.П., Поиереченко Б.А., Орешко В.В., Дорошенко О.В. Первые результаты хронометрирования миллисекундного пульсара 1937+21 на радиотелескопе ТНА-1500 ОКБ МЭИ. // Препринт ФИ АН №50, 1993, с.1-19.
10) Белов Ю.И., Илясов Ю.П., Попсречеико Б.А., Орешко В .В., Дорошенко О.В. Наблюдения миллисекундного пульсара 1937+21 на радиотелескопе ТНА-1500 ОКБ МЭИ.// XXV радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов, 1993, с.113-114.
11) Белов Ю.И., Илясов Ю.П., Орешко В.В., Петровский А.А., Серкин А.Г., Сизов А.С. Аппаратурный комплекс для миллисекундных пульсаров на 610 МГц.// XXV радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов, 1993, с.253-254.
12) Илясов Ю.П., Орешко В.В., Алексеев И.А., Дорошенко О.В., Исаев Е.А., Хе-чинашвили Т.Н. Комплекс ведения пульсарной шкалы времени на РАС ФИАН.// XXV радиоастрономическая конференция. Тезисы докладов, 1993, с.252-253.
13) Belov Yu. I., Ilyasov Yu.P., Poperechenko B.A., Oreshko V.V., Doroshenko O.V. The first results of millisecond pulsar timing by 64-m diameter reflector radio telescope TNA-1500 in Russia. If Proceed, of the Gen. Assembl. of URSI, Kyoto
1993, p.57-64.
14) Белов Ю.И., Илясов Ю.П., Орешко В.В., Петровский А.А., Серкин А.Г., Сизов А.С. Аппаратурный комплекс для миллисекундных пульсаров на 610 МГц.// Препринт НИРФИ №381, 1994, с. 1 -13.
15) Белов Ю.И., Илясов Ю.П., Попереченко Б.А., Орешко В.В., Дорошенко О.В. Хронометрирование пульсаров средствами проекта «Астрокомплекс». // Труды V Российского симпозиума «Метрология пространства и времени».
1994, с.370-374.
16) Иванова Ю.Д., Федоров Ю.А., Ци-Мох И.В., Щавслев А.И., Орешко В.В. Анализ методов сравнения шкал времени по сигналам спутникового телевидения.// Труды V Российского симпозиума «Метрология пространства и времени». 1994, с.459-463.
И
- Київ+380960830922