关于脉冲星时定义的初步探讨.pdf
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1、总第 46 卷 第 3 期 时间频率学报 Vol.46 No.3 2023 年 7 月 Journal of Time and Frequency July,2023 引用格式:何婷,郑勇.关于脉冲星时定义的初步探讨J.时间频率学报,2023,46(3):249-259.关于脉冲星时定义的初步探讨*何婷,郑勇(中国人民解放军战略支援部队信息工程大学,郑州 450001)摘要:毫秒脉冲星作为新发现的稳定频率源,为新的时间计量标准的产生奠定了物理基础。基于毫秒脉冲星自转周期建立的脉冲星时间计量基准,对人类拓展时间计量及应用的时空维度,提升时间标准精度、安全性等方面具有重要意义。目前学术界对脉冲星时
2、的研究主要集中在如何通过长期的脉冲星计时观测,实现对脉冲星计时模型的持续修正和精化。从严格意义上说,脉冲星时尚未有一个明确、完整的定义。这既不利于对脉冲星时的科学理解和研究,也不利于其时间计量基准的标准化、规范化建立及维持与应用。为此,论文在回顾总结现有时间计量标准定义及其发展的基础上,依据时间计量标准定义的基本惯例,遵循独立性、可测性、稳定性、一致性、可复制性和可用性原则,提出了脉冲星时的初步定义,包括脉冲星时起点、秒长的定义等;探讨了脉冲星钟设计及脉冲星时建立、维持与应用的初步思路。本文内容只是个人观点,希望能为脉冲星时的定义提供参考,为脉冲星钟的研制提供新的角度和思路。关键词:时间计量标
3、准;原子时;脉冲星时;脉冲星时定义 DOI:10.13875/j.issn.1674-0637.2023-03-0249-11 Preliminary study on the definition of pulsar time HE Ting,ZHENG Yong(PLA Strategic Support Force Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China)Abstract:As a newly discovered stable frequency source,millisecond pulsar may be
4、come a physical foundation for the definition of new time measurement standard.Pulsar time defined based on the rotation period of the millisecond pulsar is of great significance in expanding the spatial and temporal dimension of time measurement and improving the accuracy of time standard and the s
5、ecurity of timing applications.However,current studies on the definition of pulsar time mainly focus on continuous corrections and refinements of pulsar timing models through long-term pulsar timing observations.Strictly speaking,the definition of pulsar time has not yet been clear and complete,whic
6、h is not conducive to the scientific understanding and research of pulsar time,nor is it conducive to the standardized establishment,maintenance and application of its time measurement standard.Therefore,on the basis of summarizing the definition of the existing time measurement standards and their
7、development,according to the basic convention of the definition of time measurement standard,and 收稿日期:2023-02-25;接受日期:2023-05-23 基金项目:南京大学“银发双创”资助项目(YFSC202003)250 时间频率学报 总 46 卷 following the principles of independence,measurability,stability,consistency,replicability and usability,the preliminary d
8、efinition of pulsar time is proposed by this paper,including the definition of starting point and second length of pulsar time and so on;The basic ideas of the design of pulsar clock and the establishment,maintenance and application of pulsar time are discussed.The content of this paper is just a pe
9、rsonal opinion,hopefully it can provide a reference for the formal definition of pulsar time,and provide new perspectives for the development of pulsar clocks.Key words:time measurement standard;atomic time;pulsar time;definition of pulsar time 0 引言 时间计量标准的选择和定义,是人类认知时间、应用时间的重要依据。我国西汉古籍淮南子中就有:“天设日月,
10、列星辰,调阴阳,张四时”的论述。太阳和月亮的视运动体现为一种恒常的、循环往复的周期现象,古人在对日、月等天象及其运动的长期观察中体悟到了不可见的时间,也由此诞生了最初的计时和纪时行为,包括:公元前 2000 年古巴比伦的日晷计时、中国的香漏计时,公元前 1500 年古埃及的水钟计时,公元前 700 年中国的立表测影,公元 900 年英国的蜡烛钟计时,15 世纪欧洲的沙漏计时等。公元前 300 年中国制定并颁行了颛顼历,公元前 45 年古罗马执政官儒略凯撒施行了儒略历1。观象授时标志着古人对时间的认识和实际应用达到一个高峰,同时也是人类进一步探索时间之质和时间之量的发端。以观象授时为起点,人类的
11、计时技术历经了漫长的发展历程,取得了辉煌的成就,从早期的日晷、香漏、水钟(漏刻)、蜡烛钟、沙漏等,到天文钟、机械钟、石英钟、原子钟,再到当前已成为新的发展方向的光钟和脉冲星钟等。计时技术的持续发展,即对于更稳定、更精准的频率标准的持续探索,推动了时间计量标准的产生及变迁。计时器(钟)由两大核心要素构成:一是频率标准,其产生的周期性物理事件(信号)是构建秒长或其他基本时间尺度的物理基础;二是累加器,它从确定的起点(时刻校准点)开始,对计时器建立的基本时间尺度进行累加,从而确定时刻2。计时器的计时精度主要取决于起点的校准偏差,以及基于频率标准构建的基本时间尺度的准确度、稳定度和对于环境扰动(温度变
12、化、磁场变化、干扰及噪声)的敏感程度等。由此,起点和基本时间尺度构建方法的定义就成为时间计量标准定义的核心。随着科技的飞速发展、生产力的大幅提高、计时技术的日趋成熟,时间计量标准应运而生。在此之前,世界各地普遍采用的是地方时,它由本地天子午圈与太阳所在赤经圈的夹角(时、分、秒表示)确定。任何经度上的微小差异,都会造成地方时的不同,即任何经度不同的地点都有自己的地方时,从而造成了世界范围内时间的混乱。这给世界各国日益频繁的国内和国际交通造成了很大的不便,特别是在铁路交通迅速发展以后,地方时因经度不同而不同的缺点显得更加突出。1878 年,加拿大铁路工程师弗莱明提出用分区计时的办法来解决这个问题,
13、统一全世界的时间。1884 年在美国华盛顿举行的国际子午线会议采纳了该建议,建立了以格林尼治时间为核心的时间体系,由此诞生了人类历史上第一个全球统一的时间计量标准世界时。时间计量标准的定义,需着重考虑依据该标准所建立的时间尺度的准确性、稳定性,所建立的时间计量系统工作的连续性及可复制性,所计量出的时间应满足人类的习惯性等因素。天文学及物理学的发展,计时技术的突破,对精度和稳定性的不懈追求,推动了时间计量标准的持续发展和变迁。继世界时之后,又相继提出了历书时、国际原子时和协调世界时。当前国际上法定的时间计量标准为协调世界时。未来也一定会发展出基于更高性能计时器的新的时间计量标准。因此,时间计量标
14、准的定义,始终代表着计时技术和频率标准技术发展的最新水平,对人类生产、250 第 3 期 何婷等:关于脉冲星时定义的初步探讨 251 生活和科学研究等产生基础性的、广泛而深远的影响。1 现有时间计量标准的定义及发展 秒是计量时间的基本单位,秒长的确定问题是时间计量标准定义的根本问题。确定秒长需要持续、稳定的周期现象作为参照。地球的自转及公转所伴随的昼夜交替、四季轮回的周期现象为人类确定秒长提供了天然的物理参照,这是世界时、历书时定义的基础。第一台实用型铯原子频标研制成功后,人类对于恒常周期物理参照的探索从宏观世界深入到微观世界,原子跃迁所辐射的频率高度准确和稳定的电磁波,成为原子秒及原子时定义
15、的物理基础。1.1 世界时 1884 年美国华盛顿国际子午线会议的决议3指出:“会议建议采用世界日(universal day),同时不影响在必要情况下使用地方时。上述世界日为平太阳日,考虑将人类习惯的一日的起始时刻与通过天文观测定义的一日的起始时刻相协调,设计世界日的起始时刻为本初子午线的午夜时刻,并且按照从 0 至24 时的方式计时。”根据上述决议,英国格林尼治天文台观测得到的由平子夜起算的平太阳时称为世界时,记为 UT(Universal Time),起点为 1858 年 11 月 17 日零时。1960 年以前,世界时是国际上统一采用的时间计量标准。平太阳时是以平太阳的周日视运动为依据
16、建立的时间系统。它以平太阳在当地连续两次上中天的时间间隔为一个平太阳日,并以平太阳在当地上中天瞬间作为平太阳日开始。由于人们习惯于一天从子夜开始,根据习惯性原则,平太阳时定义改为:平太阳时角 t+12。一个平太阳日分为 24 平太阳时,1 平太阳时分为 60 平太阳分,1 平太阳分分为 60 平太阳秒。世界时定义后,经历了极移改正和地球自转速率季节性变化改正,分别记为 UT1 和 UT2。即使进行了季节性变化的改正,地球自转速率仍然存在长期变慢的趋势以及不规则的变化。地球自转速率的不均匀性意味着世界时的基本尺度“日”在逐渐变长且存在不规则变化,由此定义的标准秒长,也存在相应的变化。虽然天文学家
17、一直在研究世界时秒长中地球自转不规则变化的修正方法,其均匀性和精度也只能达到 10-8量级4。尺度的非均匀性使得世界时不再适合作为更高精度时间计量的标准。但是由于人类生活在地球上,其活动与地球自转及太阳周日视运动密不可分,所以世界时仍具有难以替代的作用和地位。目前应用最广泛的世界时是 UT1,因为它直接反映了地球表面一点相对于天球参考系的精确角位置,在精密定位与导航、测地等领域具有重要的应用4。1.2 历书时 历书时(Ephemeris Time,ET)是以地球公转运动为依据建立起来的计时系统,起点是世界时 1900年 1 月 1 日 12 时,基本时间尺度是一回归年长度。历书时是 1960
18、年至 1966 年国际上采用的,继世界时之后的第二个时间计量标准。地球的公转速率虽然时快时慢,但公转周期(即一回归年)是非常稳定的。一回归年指地球在公转过程中两次经过轨道上同一点所需要的时间间隔。以历书时 1900 年 1 月 1 日 12 时起算的回归年长度作为标准,将这一年长度的 1/31 556 925.974 7(365.242 2246060),即这一年的平太阳秒作为 1 秒的固定长度,称为历书时秒(用于制订天文历书的标准秒)。1960 年第十一届国际计量大会5决定采纳历书时秒作为秒长的新定义:“秒是 1900 年 1 月 1 日历书时 12 时起算的回归年的 1/31 556 92
19、5.974 7。”历书时秒在理论上是一种均匀的时间尺度,但实际应用中不太容易得到,且很难保存。由于技术上的原因,一般通过观测月亮来测定历书时。实际测定过程中,月面形状和边缘的不规则性,以及地球250 时间频率学报 总 46 卷 月球潮汐作用引起的月球减速,都会影响测量的准确度,加上天文观测仪器本身的精度所限,综合三年的观测资料得到的历书时秒的精度只能达到 10-9量级1,仍然满足不了现代科学技术发展的需求。尽管如此,历书时秒仍作为一个天文常数保存下来,在大地测量和天文学的研究上有重要的参考价值。1.3 原子时 原子时的提出与实用型原子钟的研制及发展密不可分。原子钟的构想是由诺贝尔奖得主拉比(I
20、.I.Rabi)在 20 世纪 40 年代早期提出的。1949 年,美国国家标准局的哈罗德莱昂斯(H.Lyons)向世界推出了第一台原子钟,该原子钟基于氨分子的谐波共振,应用了微波光子吸收原理,其稳定度与地球自转速率相当,但不能够像一台实用的工作时钟那样持续运转。尽管如此,氨分子钟的成功研制,使时间计量标准的定义在哲学及科学意义上均迈出了重要的一步。20 世纪 50 年代早期,莱昂斯的团队研究了使用铯束作为原子频率标准的可能性,这项开创性的工作展示了高精度原子频率标准的潜力。1955 年 6月,英国皇家物理实验室的艾森(L.Essen)和帕里(J.V.L.Parry)研制推出了世界上第一台实用
21、型铯原子钟2。20 世纪 50 年代实用型铯原子钟的成功研制为秒长的重新定义提供了新的方向、思路以及现实可能。1967 年第十三届国际计量大会定义了原子时秒长:“秒是铯 133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的 9 192 631 770 个周期的持续时间6。”该秒长定义被国际单位制(International System of Units,SI)采纳并沿用至今。同时,大会决定采用新的时间计量标准原子时(Atomic Time,AT),这是人类历史上定义的第 3 个时间计量标准。原子时的秒、分、时、日、月、年的换算关系仍与世界时相同,起点是世界时 1958 年 1 月 1 日零
22、时,这一瞬间要求原子时与世界时完全重合,但由于技术上的原因,存在 0.003 9 s 的差值,该值作为一个历史事实被永久保存下来。与世界时和历书时不同,原子时的建立不再基于天文观测,而是基于原子钟。将某台原子钟的起点校准后,从该起点开始,对该原子钟复现的秒长进行累加,就得到了原子时。但原子钟作为仪器设备,有自身的寿命,存在发生故障的风险,且受环境因素及自身技术指标影响,输出频率存在偏移、漂移和随机抖动。上述因素使得基于单台原子钟建立的原子时在准确性、稳定性及工作的连续性上均得不到保证,因此,原子时的构建需基于原子钟组。根据构成钟组的原子钟的来源,可将原子时划分为地方原子时和国际原子时。由一个时
23、间实验室若干台原子钟或一个地区若干时间实验室的原子钟组成的钟组导出的原子时,称为地方原子时,记为TA(k)。其中 k 表示建立地方原子时的时间实验室的简称。分布在世界范围内的各时间实验室共同协作可显著提高原子时的稳定性。1971 年,第十四届国际计量大会指定由国际计量局(International Bureau of Weights and Measure,BIPM)根据 SI 时间单位秒的定义,以世界各地时间实验室运转的原子钟读数为依据,经相对论修正并归算到平均海平面上所建立的原子时间系统称为国际原子时,命名为 TAI(Temps Atomique International or Inte
24、rnational Atomic Time):“国际原子时是国际时间局根据国际单位制中时间单位秒的定义,依据世界范围内各守时实验室运行的原子钟的读数而确定的时标7。”当前,TAI 由参与国际协作的八十多家时间实验室的五百多台自由运行的原子钟经加权平均(优化其时间尺度的长期频率稳定度)和频率驾驭(使其时间尺度符合 SI 秒长定义)产生,准确度及稳定度均达到 10-1510-16量级,是实际应用中具有权威性、代表性的高性能时间计量系统。TAI 是纸面时间,需事后数据处理,滞后一个月以时间公报的形式由 BIPM 发布,告知相关时间实验室其上个月以 5 d 为间隔的 TA(k)相对于 TAI 的差值,
25、相关时间实验室利用该差值得到 TAI。随着原子钟技术、高精度时频传递技术的持续发展以及数据处理算法的优化,目前基于铯喷泉钟和光钟实现的 SI 秒长的实际复现精度可达 10-1610-18量级,成为国际单位制七个基本单位中,计量精度最252 第 3 期 何婷等:关于脉冲星时定义的初步探讨 253 高的物理量,并且相对于世界时和历书时的秒长,它更容易测定和应用,不需要进行长时间的天文观测。高度准确、稳定、且应用方便的原子时更符合科学研究和工程应用的需求,而人类活动更习惯于世界时。原子时秒长与世界时秒长存在差异,且由于地球自转速率存在的不规则变化和长期变慢趋势,随着时间的增长,两者秒长差异日益增大,
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