К инвариантным моделям пульсарных данных в пространственно –временных координатных системах

А.Е.Авраменко

Пущинская радиоастрономическая обсерваторияФизического института им. П.Н.Лебедева РАН

RCDL’2009Петрозаводск

17-21 сентября 2009 г.

Возможности, состояние, перспективы астрометрических наблюдений пульсаров

• Пульсары – внеземные объекты, обладающие высокостабильной периодичностью импульсного излучения, – уникальная естественная лаборатория для экспериментальной проверки фундаментальных пространственно-временных свойств материи методами непосредственного измерения пульсарного времени в координатных системах отсчета

• Несмотря на оптимистичные прогнозы после открытия пульсаров (1967), достигнутые пределы точности по наблюдениям пульсаров на несколько порядков уступают характеристикам эталонных атомных стандартов времени

• Для реализации потенциальных возможностей пульсаров в 4-мерной метрике пространства-времени требуется выявить устойчивые наблюдаемые признаки, которые напрямую определяются высокостабильным периодом вращения пульсаров

Особенности отображения измеряемых величин по наблюдательным пульсарным данным

• Разные, несопоставимые типы уравнений пульсарного времени :* в инерциальной Солнечной системе* в движущейся топоцентрической системе радиотелескопа на

Земле• Разные типы моделей и форматов наблюдательных данных в этих

системах

Следствия:• Различный набор атрибутов для отображения пульсарных событий,

наблюдаемых в разных системах• Нет видимых признаков и количественных критериев для проверки

согласованности наблюдаемых величин в разных системах: * как проверить соответствие наблюдаемых величин, если они относятся к разным системам и описываются разными уравнениями и моделями * насколько эквивалентны численные величины, измеренные в независимых системах

Уравнения для двух типов моделей наблюдательных данных

В уравнениях (1) и (2) моментов импульсов пульсара, наблюдаемых на Земле и в Солнечной системе, нет ни одного общего параметра, относящегося к наблюдаемым величинам

Форматы данных для топоцентрической (Table 5) и барицентрической (Table 6) моделей МПИ

• В формате барицентрических моментов фигурируют только справочные значения периода вращения пульсара и его производной, которые никак не связаны с текущими наблюдательными данными;

• Численные форматы топоцентрических и барицентрических МПИ заданы с разной точностью (13 и 5 десятичных знаков соответственно);

• Остаточные уклонения определяются только в барицентрической системе, тогда как в топоцентрическом формате их нет

• Топоцентрическая система выполняет транзитную роль при трансформации наблюдательных данных в инерциальную барицентрическую систему

Основные задачи

• Показать, что наблюдаемые интервалы импульсного излучения пульсара могут быть выражены одними и теми же уравнениями, независимо от выбора координатной системы наблюдений

• Определить единую модель наблюдательных данных, которая соответствует инвариантным уравнениям интервалов импульсного излучения пульсара в любой системе наблюдений

• Привести форматы наблюдательных данных к единому виду, обеспечивающему сопоставление и надежное выявление присущих пульсарам характеристик в любой выбранной координатной системе

Подход к решению

• К архивным наблюдательным данным прошлых лет, по которым уже были получены оценки наблюдаемых характеристик пульсаров, применить принцип инвариантности уравнений физических процессов в координатных системах и найти параметрические зависимости наблюдаемых признаков и физических характеристик пульсаров

• Провести сопоставление результатов по параметрической модели данных и проверить согласованность наблюдаемых величин в разных координатных системах

• Определить достижимые характеристики пульсаров в 4-мерной метрике пространства-времени на основе инвариантных уравнений излучения пульсаров и параметрической модели данных

Метрические свойства 4-мерного пространства (Принцип относительности, А.А.Логунов, 2006)

«Какую бы физическую систему отсчета мы ни избрали (инерциальную или неинерциальную), все физические явления протекают одинаково с исходной системой отсчета, так что мы не имеем и не можем иметь никаких экспериментальных возможностей различить, в какой именно системе отсчета мы находимся».

Из постулата относительности следует: • уравнения физических процессов во всех системах отсчета неизменны

(форминвариантны);• физические процессы, протекающие в этих системах при одинаковых

условиях, тождественны; • все естественные эталоны во всех системах отсчета одинаковы;

• значения и вариации наблюдаемого периода, отклонения интервалов пульсарного времени во всех системах отсчета одинаковы.

Параметризация наблюдаемых интервалов как необходимое условие инвариантности уравнений в координатных

системах

• Наблюдаемые пульсарные события отображаются в виде интервалов, отсчитываемых от общего начала

• Интервалы определены наблюдаемыми параметрами вращения пульсара – периодом и его производной

• Уравнения интервалов пульсарных событий одинаковы в любой координатной системе

Инвариантность интервалов пульсарного времени в барицентрической и топоцентрической системах отсчета

Относительные отклонения наблюдаемого периода вращения пульсара В1937+21 в топоцентрической и барицентрической системах

(исходные данные: Kaspy, Taylor, Ryba, 1994; 1,4 GHz; 2,4 GHz)

• Характер и величина отклонений наблюдаемого периода вращения пульсара не зависят от выбранной координатной системы и режимов наблюдений

Сопоставление результатов наблюдений пульсара В1937+21 в топоцентрической и барицентрической системах

(исходные данные: Kaspy, Taylor, Ryba, 1994)

• Расхождения отклонений интервалов, определяемых инвариантными уравнениями в двух системах (б, в), на 13 порядков меньше их абсолютной разности (а) и не выходят за пределы достижимых погрешностей измерений

• Экспериментально подтверждается соответствие наблюдаемых величин и тождественность параметрической модели данных в барицентрической и топоцентрической системах

Модифицированный формат наблюдательных пульсарных данных

• Форматы наблюдательных данных одинаковы в топоцентрической и барицентрической системах.

• Интервалы пульсарного времени в топоцентрической и барицентрической системах определены наблюдаемым периодом вращения пульсара, численные значения которого в каждой координатной системе совпадают

Параметрическая модель интервалов в приложениях Сличение атомного эталона по пульсарному времени

• По наблюдаемым отклонениям интервалов двух пульсаров В1937+21 и В1855+09 с помощью параметрической модели выявлены поправки измерительного атомного эталона с погрешностью 5-10 нс в 4-летнем промежутке наблюдений

Основные выводы и результаты

• Определена обобщенная параметрическая модель пульсарных данных, которая соответствует инвариантным уравнениям интервалов импульсного излучения пульсара в любой системе наблюдений;

• Показана тождественность параметрической модели пульсарных данных, которая согласуется с инвариантностью уравнений интервалов импульсного излучения пульсаров в координатных системах;

• Форматы пульсарных данных приведены к единому виду, определяемому наблюдаемыми параметрами вращения пульсара, численные значения которых совпадают для всех координатных систем;

• Потенциальные возможности пульсаров в 4-мерной метрике пространства-времени реализуются только на основе единства модели и форматов наблюдательных данных, соответствующих инвариантным уравнениям интервалов пульсарного времени в координатных системах