世上最准的计时工具 脉冲星钟揭秘

心灵

为了精确计算时间，人类几千年来不断改进计时工具，从最早的日晷，一路进化到机械钟和石英钟，目前被认为计时最精确的是原子钟，不过波兰科学家最近找到更精准的计时工具，就是宇宙中的星星，到底星星如何计时，带您去一探究竟。宇宙中的星星，不但可以计时，而且可能是人类目前已知的最准确计时工具之一。波兰科学家架设的这个脉冲星钟，就是利用脉冲星发出的规律脉冲来计时，科学家架设天文天线，接收脉冲星的脉冲后，转化为时间。这个脉冲星钟位于波兰格旦斯克圣凯瑟琳教堂内，巧合的是，距离发现钟摆定律的17世纪天文学家赫维留斯的墓地不远。



为什么脉冲星是世界上最准的钟



时间的概念起源于人类对客观自然现象的长期认知和总结，并在生产斗争中产生和不断改进、完善和发展。历史上，秒的定义源于天文，天文时与地球自转运动周期的时标(世界时UT)及绕太阳公转运行的规律(历书时ET)密切相关。在原子时秒出现以前，总是先定义时标再定义秒；而原子时秒定义本身是与天文历书时标(ET)有关，但它先定义原子时秒再定义原子时，以便与世界时相协调。世界时UT和历书时ET系统均是以宏观天体的运动规律为基础建立起的天文时间系统。原子时则是以微观原子能级跃迁规律产生的频率，并在对其实施精细控制的原理基础上产生的。拉比(I.Rabi)因此获得1944年度诺贝尔物理学奖。1955年，英国制成第一台铯束原子频率标准钟。美国人马克维奇等在1955年～1958年利用历书时秒测定铯束振荡器的频率值，得到在一个历书时秒长的时间内，铯束振荡器的频率值为9192631770±20赫兹。在1967年10月的第十三届国际计量大会上通过了原子时秒的定义：“秒就是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间。”从而结束了天文时秒的时代。

　　现代原子钟的主要特征是高准确性、高稳定性、高可靠性、高连续性。时频科学家Kartaschoff认为 ：“频率和时间的显著特征是其基本定义的高度准确和测量的高度精密。对用户的钟所要求的最重要指标便是它们的频率稳定度。”对照钟的主要特征和考察上述的一些毫秒脉冲星频率源的重要特征，可以发现它们基本符合现代钟的要求，尤其在长期稳定度方面，具有明显的优势，一些毫秒脉冲星的长期稳定度已优于原子时的10-14，甚至优于10-15，为其重要应用奠定了基础。

　　另一方面，由于脉冲星钟的短期稳定度和准确度不如原子时，所以目前认为很难用它独立地定义一个新的脉冲星天文时秒以代替原子时秒。在MSPT测量系统中，正是利用原子钟的短期稳定度好、准确度高的优势来作为频率时间参考和守时钟。如果相对定义脉冲星时秒，也必须依赖原子时秒定义的间隔为参考，尽量使脉冲星秒长逼近铯原子时秒。由于MSPT的长期稳定度颇具优势，所以，可用它补偿原子时在长期稳定度方面的缺陷，校正、改进原子时长期稳定度，使两种时间系统相互取长补短，既保障MSPT的高精度，又使原子时的长期稳定度得到改善。在用脉冲星时来检验原子时的长期稳定度以前，原子时的评估只是在原子钟之间相互比较、鉴定或自我评估。脉冲星钟研究将有以下的重要意义：1) 脉冲星钟系统的创建和实现。关键技术是建造一架能进行极弱信号检测和TOA高精度测量的百米级口径天线，这在我国将带来重大的技术突破。2)时间计量学前沿上的交叉：脉冲星时的长期稳定度将用来检验原子时的长期稳定度。脉冲星钟的创建将对启动它与原子钟的相互验证、相互比对、并行发展及对原子时的长期稳定度的改进、修正有着重大科学理论和实践意义。3)对时间计量科学的理论和发展是一个跨越，为微观量子频标和宏观脉冲星钟的基础研究和高技术创新研究提供机遇和实验平台。高水平的学术拓展可能会有重大开拓和广泛的应用价值。4)可为脉冲星自主导航和脉冲星新的空间坐标系提供基础资料库(自主知识产权意义上)。对建立我国的VLBI(甚长基线干涉测量)做出贡献。如果脉冲星钟选址在秦岭腹地，位于我国中部、大地测量原点附近，将会更加有利于以上应用。5)宇宙学前沿上的交叉：通过测量脉冲星时的长期(十年以上。引力背景变化的周期为年、十年级)变化，用以探测宇宙早期引力波事件。6)脉冲星和射电星的巡天观测，可以期望发现更多的脉冲星和稳定度很高的MSP新天体，充实“脉冲星钟”。其它方面如高能天体物理和黑洞在内的致密天体的研究。在天体测量、天体物理学和物理学方面：如通过TOA精细测量可以发现地球位置对计算位置的偏差(极移，自转、公转的短周期、长周期变化等等)。总之，高度稳定的MSPTOA高精度测量可以作为一种探测工具和手段。因为凡是能够影响MSPTOA的外部因素，都应该可以通过MSPTOA的高精度测量加以深入探索和定性、定量研究。MSPTOA高精度测量的数据为高精细的研究提供了高质量的数据，为最好的研究结果提供前提条件。



中国国家天文：脉冲星钟及其专用射电望远镜




目录导语：脉冲星具有超高稳定的时间特征，被称为自然界最稳定的天文钟。可以利用脉冲星计时改进原子时的长期稳定度。这就需要建立专用的射电望远镜。
　　脉冲星和脉冲星计时

　　脉冲星是一种快速旋转并具有强磁场的中子星。1967年，英国科学家休伊什和贝尔发现了脉冲星，并由此证实了20世纪30年代提出的关于中子星存在的预言。这一发现被列入“20世纪60年代四大天文学发现”(脉冲星、类星体、星际有机分子和微波背景辐射)。休伊什因此荣获1974年度诺贝尔物理学奖。此后，因为对脉冲双星的周期随时间的细微变化的研究，间接验证了引力波的存在，Taylor和Hulse获得1993年度诺贝尔物理学奖。

　　脉冲星除具有超高密度、超强磁场、超强电位、超强辐射、超高温度等极端物理特性外，最显明和最突出的是它的超高稳定的时间特征。所以，脉冲星被称为极端物理条件下天然的太空实验室和自然界最稳定的天文钟。科学界早已提出了利用脉冲星计时的设想，使用毫秒级脉冲星来计时的方法被称为毫秒脉冲星计时(MSPT)。

　　可是，因为脉冲星处在距地球数亿至百多亿光年的极远距离上，虽然它辐射的功率极其强大，但到达地球天线上的信号却极弱，仅有0.1mjy～100mjy (mjy 即毫央斯基，是射电流量单位)。为了提高接收天线灵敏度和接收机的信噪比，对于更高精度要求的MSPT系统而言，百米级口径的天线是实现MSPT的基本条件，这已被国际上30余年来的研究结果所证明。而且，综合评估的结果显示，用于MSPT的百米级天线的性能价格比相对更好。1998年后，国际上毫秒脉冲星计时阵(MSPTA)的研究也有了长足发展，目前已有十几个。所谓计时阵，就是用同一大天线，对优选的毫秒脉冲星频率源，按预先设计好的程序进行MSPT的多星观测和分析，进而产生出综合脉冲星时(EPT)，为更高的MSPT长期稳定度做出基础性贡献。

　　1982年Backer等人发现了具有时间计量意义的毫秒脉冲星(MPT)PSR1937+21(1.558毫秒)。至2008年底，已发现脉冲星约1800余颗，其中自转周期小于10毫秒的脉冲星约有110颗；年变化率小于10-19的毫秒脉冲星约108颗(10-21有26颗，10-20的有53颗，10-19的有29颗)。毫秒脉冲星计时的长期稳定度(107秒以上)小于10-13的约有30颗，约10-14的有16颗，优于10-14的有6颗。百米级天线的MSPT残差可达小于50纳秒，长期稳定度可优于10-15；综合毫秒脉冲星的计时稳定度(EMSPT)将会更好，可与当今最好的铯原子频率基准钟相当。

　　一种脉冲星钟定义是：“优选出一组标准的毫秒脉冲星，并对其TOA(脉冲星到达时间)信号实施持续、系统、规范化计时(Timing)的主体系统可称为脉冲星钟(PC)。并用高级算法对多星计时的脉冲星钟(时)的资料进行综合后产生综合脉冲星时(EPT)。”脉冲星钟主要由自转频率高度稳定的一组标准的毫秒脉冲星，加上大口径天线、超低温前置放大、低噪声接收机、极弱信号放大检测和零消色散系统，计算机处理系统，参考原子钟和与原子时的比对、校正和显示系统等组成。

　　从TOA到MSPT，进而到MSPTA，脉冲星钟和综合脉冲星时的研究拓展历程，以及脉冲星计时(PT)在各个领域的潜在应用都说明了：脉冲星钟(时)(PC/PT)的建立，不仅对高度稳定的宏观天体——脉冲星自转频率所产生的脉冲星的时间尺度有重大的科学价值，而且脉冲星钟(时)的建立和实施对时间计量学科的开拓和发展，在评价、检验、校正、改进原子时的长期稳定度，建立两种时间尺度联接关系研究等方面，有重要的理论和实践的意义。它的拓展将激励天文学各分支学科，空间电子学，空间通信，X射线的自主导航、定时、定位，深空探测，引力波天文学等学科的发展，乃至对于国家安全，均有重大的战略意义。

　　原子时与“脉冲星时”及“脉冲星钟”

　　时间的概念起源于人类对客观自然现象的长期认知和总结，并在生产斗争中产生和不断改进、完善和发展。历史上，秒的定义源于天文，天文时与地球自转运动周期的时标(世界时UT)及绕太阳公转运行的规律(历书时ET)密切相关。在原子时秒出现以前，总是先定义时标再定义秒；而原子时秒定义本身是与天文历书时标(ET)有关，但它先定义原子时秒再定义原子时，以便与世界时相协调。世界时UT和历书时ET系统均是以宏观天体的运动规律为基础建立起的天文时间系统。原子时则是以微观原子能级跃迁规律产生的频率，并在对其实施精细控制的原理基础上产生的。拉比(I.Rabi)因此获得1944年度诺贝尔物理学奖。1955年，英国制成第一台铯束原子频率标准钟。美国人马克维奇等在1955年～1958年利用历书时秒测定铯束振荡器的频率值，得到在一个历书时秒长的时间内，铯束振荡器的频率值为9192631770±20赫兹。在1967年10月的第十三届国际计量大会上通过了原子时秒的定义：“秒就是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间。”从而结束了天文时秒的时代。

　　现代原子钟的主要特征是高准确性、高稳定性、高可靠性、高连续性。时频科学家Kartaschoff认为 ：“频率和时间的显著特征是其基本定义的高度准确和测量的高度精密。对用户的钟所要求的最重要指标便是它们的频率稳定度。”对照钟的主要特征和考察上述的一些毫秒脉冲星频率源的重要特征，可以发现它们基本符合现代钟的要求，尤其在长期稳定度方面，具有明显的优势，一些毫秒脉冲星的长期稳定度已优于原子时的10-14，甚至优于10-15，为其重要应用奠定了基础。

　　另一方面，由于脉冲星钟的短期稳定度和准确度不如原子时，所以目前认为很难用它独立地定义一个新的脉冲星天文时秒以代替原子时秒。在MSPT测量系统中，正是利用原子钟的短期稳定度好、准确度高的优势来作为频率时间参考和守时钟。如果相对定义脉冲星时秒，也必须依赖原子时秒定义的间隔为参考，尽量使脉冲星秒长逼近铯原子时秒。由于MSPT的长期稳定度颇具优势，所以，可用它补偿原子时在长期稳定度方面的缺陷，校正、改进原子时长期稳定度，使两种时间系统相互取长补短，既保障MSPT的高精度，又使原子时的长期稳定度得到改善。在用脉冲星时来检验原子时的长期稳定度以前，原子时的评估只是在原子钟之间相互比较、鉴定或自我评估。脉冲星钟研究将有以下的重要意义：1) 脉冲星钟系统的创建和实现。关键技术是建造一架能进行极弱信号检测和TOA高精度测量的百米级口径天线，这在我国将带来重大的技术突破。2)时间计量学前沿上的交叉：脉冲星时的长期稳定度将用来检验原子时的长期稳定度。脉冲星钟的创建将对启动它与原子钟的相互验证、相互比对、并行发展及对原子时的长期稳定度的改进、修正有着重大科学理论和实践意义。3)对时间计量科学的理论和发展是一个跨越，为微观量子频标和宏观脉冲星钟的基础研究和高技术创新研究提供机遇和实验平台。高水平的学术拓展可能会有重大开拓和广泛的应用价值。4)可为脉冲星自主导航和脉冲星新的空间坐标系提供基础资料库(自主知识产权意义上)。对建立我国的VLBI(甚长基线干涉测量)做出贡献。如果脉冲星钟选址在秦岭腹地，位于我国中部、大地测量原点附近，将会更加有利于以上应用。5)宇宙学前沿上的交叉：通过测量脉冲星时的长期(十年以上。引力背景变化的周期为年、十年级)变化，用以探测宇宙早期引力波事件。6)脉冲星和射电星的巡天观测，可以期望发现更多的脉冲星和稳定度很高的MSP新天体，充实“脉冲星钟”。其它方面如高能天体物理和黑洞在内的致密天体的研究。在天体测量、天体物理学和物理学方面：如通过TOA精细测量可以发现地球位置对计算位置的偏差(极移，自转、公转的短周期、长周期变化等等)。总之，高度稳定的MSPTOA高精度测量可以作为一种探测工具和手段。因为凡是能够影响MSPTOA的外部因素，都应该可以通过MSPTOA的高精度测量加以深入探索和定性、定量研究。MSPTOA高精度测量的数据为高精细的研究提供了高质量的数据，为最好的研究结果提供前提条件。

　　脉冲星钟专用射电望远镜的构想

　　1992年、1996年和1998年，我国科学家曾提出在陕西天文台附近建设一架用于MSPT实验用的50米以上的专用天线(射电望远镜)。1999年初，王绶琯先生等主张“在时间频率研究、授时服务基地创建一具‘脉冲星钟’专用射电望远镜(4架50米，中星仪式)”，并进行了论证。

　　目前我国在MSPT的实验观测研究领域基本是空白，实在是一个缺憾。只有乌鲁木齐天文站十余年来用25米直径天线进行过几百个强源脉冲星的复测、监测等研究，积累了一定的经验。最主要的制约MSPT研究的瓶颈是没有大天线，另一个原因是采样速率低，不能满足MSPTOA/MSPT观测信号的正常接收。用25米，甚至50米以下的射电天线只能进行方法研究和实验，观测数据质量较差，导致计时精度不够。

　　国际上的先例说明，使用口径50米以下天线及当今技术，MSPT只能达到一般水平。目前上海天文台正在建设65米射电望远镜，建成后无疑将在MSPT或MSPTOA测量研究中做出一定贡献，但国际上现有的64米至76米直径天线获取的计时精度也只是中上水平。其中英国的76米和澳大利亚Parkes的64米天线所得结果属优者。Parkes天线在巡天发现脉冲星及MSPTA的研究中水平可称一流，但相比GBT100米天线(美国)，其MSPT精度仍有较大差距。值得注意的是，Arecibo的305米天线与GBT100米天线对同一MSPT的计时水平相当。其重要原因：一个是15天至30天才观测一次；一个是持续每天观测，观测次数较多。信噪比和采样点多少是影响计时水平的主要因素之一。所以，百米级天线的性能价格比会更好。

　　我国国家天文台正在建设的500米的FAST系统，在未来的脉冲星巡天和脉冲星钟(时)研究方面可以达到国际先进水平。但是FAST不可能每天安排4小时以上的时间进行MSPTA的常规、持续的观测和专门的拓展研究。因此，脉冲星钟的研究理应有自己专用的百米级天线。

　　王绶琯院士曾指出：“目前，国际上已有几个大口径射电望远镜正在进行不同程度、不同的脉冲星计时阵(PTA)的TOA观测研究，但一般均为并非专用于‘脉冲星钟’研究，而且，这些大射电望远镜的任务都很饱满，不能容许较多的时间给脉冲星计时观测，天文学家和天体物理学家们也不可能放弃他们主要的研究方向和任务，再改换专业方向涉猎毫秒脉冲星时间计量——‘脉冲星钟’的任务中去。”“我们认为‘脉冲星时间计量’的创建是‘时间科学’的一个重大课题，是一个专业性质非常强的国际性课题。它必须由国家级、或准国家级的‘时频机构’，例如一个‘时频中心’来承担，而这个机构必须有一支献身于‘时频科学’的研究群体，能够胜任这个课题所要求的繁难而持久的常规任务和研究任务。”

　　1999年5月到1999年8月30日，王绶琯院士和苏定强院士、北京大学吴鑫基教授等交换意见之后，在节约经费的前提下，提出在国家授时中心建设四面直径各为50米的子午仪式射电望远镜，相当于100米口径的望远镜接收面积，专门用于脉冲星钟的研究。台址选在秦岭腹地邻近西安，在我国大地原点附近。那里有得天独厚的自然环境条件，在天时、地利、人和等方面均有优势。据检测，临潼地区射电背景噪声较低，估计在秦岭腹地一定更好。因为那里的大功率雷达、通讯站很少，距大城镇、工业区较远，会是更具综合优势的射电天文站候选址。

　　“脉冲星钟”专用射电望远镜的构想能否实施，还需要国家有关部门的大力协同和支持；也需要我国科学界同仁坚定信念、大力协作、精心组织和精细实施，需要继续学习国外先进理论、技术和经验为我所用。任重而道远。我们真切地企望这一研究能“百尺竿头，更进一步”。衷心地感谢王绶琯先生对“脉冲星钟”的科学论证和指导，也深切怀念陈芳允先生对“脉冲星钟”研究的热情关心和支持。

　　信息来源：中国国家天文