中国のスカイアイは300個以上のパルサーを発見しましたが、FASTはどうやってそれらを見つけるのでしょうか？

これまでに、中国のスカイアイは 300 個以上のパルサーを発見しました。では、FAST はどのようにしてこれらのパルサーを発見したのでしょうか? 次の興味深い歴史エディターが詳細な紹介をお届けしますので、見てみましょう!

1. ドリフトスキャン観測

FAST は、フィードキャビンの位置とパネルの形状を調整することで望遠鏡の指向方向を調整し、空の特定の場所を観測できることがわかっています。しかし、FAST の建設当初は、望遠鏡のさまざまなシステムがうまく動作せず、指向調整も柔軟ではなかったため、科学者は通常、「ドリフト スキャン」と呼ばれる方法を使用して観測を行っていました。

いわゆる「ドリフトスキャン」は実は非常に単純で、「木のそばに座ってウサギを待つ」というアイデアに少し似ています。つまり、望遠鏡は動かず、例えば天頂に固定して、天体が東から昇って西に沈むのを待って、望遠鏡の視野内に移動するのです。

「ドリフトスキャン」では、望遠鏡は特定の偏角に固定されるため、この偏角にある天体のみを観測できます。時間が経つにつれて、この赤緯にある天体が次々と望遠鏡で観測されるようになります。

別の赤緯にある天体を見たい場合はどうすればよいでしょうか。望遠鏡を動かして別の赤緯を指すようにする必要があります。

「ドリフトスキャン」により、FAST は、あまり移動せずに空のさまざまな場所をスキャンできます。

しかし、この観測方法には欠点があり、それは天体が望遠鏡の視野を通過する時間が非常に短いことです。FAST の場合、最長時間は 1 分未満です。観測時間が短いということは、明るい天体しか見ることができないことを意味します。幸いなことに、私たちの FAST は十分に大きく、他の望遠鏡では暗く見える多くの天体が、FAST では「比較的明るく」見えます。

ここまで話してきましたが、私たちが探しているパルサーはどこにあるのでしょうか?

パルサーは主に天の川銀河の銀河円盤と球状星団に分布しています。 FAST が「ドリフト スキャン」を実行すると、天の川銀河のディスクが「スイープ」されます。対応するデータを分析すれば、新しいパルサーを発見できる可能性が高まります。

2. パルサーデータ

ドリフトスキャン中は、パルサーの探索に使用できるデータを記録する必要があります。これには、2 つの要件を満たす必要があります。1. 十分に高い時間分解能、2. 特定の周波数分解能。

一般的に言えば、パルサーからは周期的にパルス信号が放射されます。隣接する 2 つのパルス信号間の時間差は 1.4 ミリ秒から 23 秒の範囲です。パルス信号の幅は通常、この時間差の 10 分の 1 にすぎません。データの時間分解能が十分に小さい場合にのみ、時間の経過とともに急速に変化するパルサー信号を検出できます。

電磁波にはさまざまな周波数があることはわかっています。最も直感的な感覚は、自然光は虹色に分けられ、異なる色は異なる周波数の電磁波であるということです。パルサー探索のためのデータを記録する場合、後続のデータ処理、つまりスペクトルデータの記録が必要となるため、異なる周波数の電磁波を複数の記録に分ける必要があります。分割数が多いと周波数分解能が高くなり、異なる周波数の信号の変化をより適切に検出できます。

最終的に、一連の連続スペクトルが得られますが、隣接する 2 つのスペクトル間の間隔は非常に短く、通常は数百マイクロ秒または数十マイクロ秒しかありません。

3. 無色分散

観測データがあればパルサーを探すことができます。パルサーは一般的に非常に暗いため、パルサーのパルスをより適切に探索するには、観測されたさまざまな周波数の電磁波を重ね合わせて総電力信号を取得する必要があります。異なる周波数の電磁波を重ね合わせる前に、データを「分散解除」する必要があります。

パルサーから放射されたパルスは、地球に到達する前に、天の川銀河空間の星間物質の影響を受け、「分散」します。分散効果により、パルサーの高周波電磁波は低周波電磁波よりも早く地球に到達します。この現象は、図 3 の Vela データでわずかに確認できます。

高い信号対雑音比を持つパルス信号を得るためには、データ処理中に分散によって生じる遅延、いわゆる「分散解除」を相殺する必要があります。

異なるパルサーから放出される信号は、異なる星間媒体を通過するため、異なるパルサーに対する分散効果も大きく異なります。分散効果が顕著であれば、低周波信号の遅延は大きくなります。分散効果を正確に排除するには、遅延の量を知る必要があります。しかし、未知のパルサーの場合、星間物質からどの程度の影響を受けるかは事前にわかりません。分散の影響を排除するにはどうすればよいでしょうか。

天文学者のアプローチは非常にシンプルで、一つずつ試してみるだけです。

同じデータセグメントに対して、分散によって発生する遅延が一定であると想定し、複数の異なる遅延量を使用してそれぞれ分散を排除し、すべての結果を次のステップで独立して処理します。

4. サイクルを見つける

しかし、ほとんどのパルサーは弱すぎるため、単一のパルス信号を直接検出することはできません。パルサーパルスがどの時点で発生するかがわかれば、対応するデータを探し出し、重ね合わせることで、微弱なパルサーの信号を観測することが可能になります。

幸いなことに、パルサーは一般に強い周期性を持っているため、その信号を見つけるのは簡単です。

一般的に言えば、分散を排除して周期を探すと、特定の分散効果を持ち、周期的で、パルサー信号のように見える候補信号を多数見つけることができます。

パルサーに似たターゲットを選別するのに役立つソフトウェアはありますが、正確な判断を下すには、最終的には各候補の対応するパラメータを肉眼で確認する必要があります。

何万ものデータ結果グラフを見た後に未知のパルサーを見つけるのは非常に幸運であると言っても過言ではありません。

5. 単一パルス

何らかの理由で放射が断続的であるパルサーがいくつかあり、そのため私たちが見るパルス信号は不規則に見えます。このとき、サイクルを見つける方法を使って探すと、見つからないことがよくあります。このタイプのパルサーの場合、分散解除後のデータで信号対雑音比の大きい信号のみを探すことができます。一時期人気があった高速電波バーストは、分散を排除した後、単一パルスを探すことで発見されました。