毫秒脉冲星时间尺度在引力波探测中的应用

高速旋转的毫秒脉冲星向外辐射电磁波，当这种电磁波扫过地球时形成我们观测到的脉冲。毫秒脉冲星有较高的自转稳定度，而由多颗脉冲星组成的计时阵，可得到精度更高的脉冲星时间尺度。同时，脉冲信号在到达地球的过程中，会受到宇宙中的引力波、地球公转、太阳引力场及星际介质等的影响，这些影响使得脉冲到达地球的时间发生微小的延迟。基于高精度毫秒脉冲星时间尺度，可以除去地球公转、太阳引力场及星际介质的色散等引起的时间延迟噪音，得到引力波及其波源的信息。这有助于检验广义相对论及其他可以产生引力波的引力理论。宇宙的早期暴胀、宇宙弦以及超大质量双黑洞的绕转及并合都为脉冲星计时阵列提供了可探测的引力波源。因此，通过对毫秒脉冲星的观测可以从另一个侧面认识宇宙早期以及超大质量双黑洞的信息。通过本项目的研究，可以加强国内毫秒脉冲星时间尺度在引力波探测中的应用，推动国内利用毫秒脉冲星计时及应用研究的发展和国际合作。

本项目完成的内容主要包括以下几个方面：.1. 利用脉冲星计时阵PPTA、EPTA和NANOGrav的观测以及未来的SKA的理论探测灵敏度，对描述宇宙残余引力波和宇宙极早期物理过程的一些参数作了限制。具体包括：宇宙暴涨指数、再加热膨胀指数和倍数、引起密度扰动的标量－张量比等等，并找出了各参数之间的关系。在慢滚暴涨模型下，我们得到了标量场幂律模型的幂指数与宇宙暴涨指数、宇宙再加热膨胀指数、标量－张量比等参数的关系。因此通过对脉冲星的观测可以认识某些发生在宇宙极早期的物理过程。.2. 从更一般的情况出发，我们讨论了单一非演化椭圆轨道的超大质量双黑洞产生的引力波如何影响脉冲星计时残差，并给出了解析表达式。同时，计算了均方根计时残差随各个参数的变化规律。为单引力波源的探测提高了理论模型。.3. 分析了脉冲星计时模型中的各类误差来源， 并估计了各类误差的大小，同时也提出了减小或消除误差的方法。 系统地研究了脉冲星自转不稳定引起的计时噪声，将其模型参数化，理论计算的结果与观测结果比较吻合。利用该计时噪声模型计算了 165 颗毫秒脉冲星 5 年和 10 年的计时噪声。. 根据以上研究内容，发表5篇SCI论文和一篇中文核心期刊。