- Access by Xinjiang University
Pulsar timing in the Galactic Center
Phys. Rev. D 114, 024048 – Published 20 July, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/9zwc-gk79
Abstract
We propose a novel approach which implements the relativistic calculations of the photon travel time into a robust timing model for pulsars orbiting supermassive black holes. We demonstrate that timing models relying on the lowest-order post-Newtonian approximation can produce significant discrepancies in strong-field configurations, affecting the predicted relativistic times of arrival at an Earth-based observatory. We also show how a misestimation of the pulsar parameters can lead to the appearance of phase-dependent residual, which hints at a tremendous constraining power of the binary and intrinsic parameters for timing observations of potential pulsars at the Galactic Center.
Physics Subject Headings (PhySH)
Article Text
References (78)
- W. Becker, M. Kramer, and A. Sesana, Space Sci. Rev. 214, 30 (2018).
- I. H. Stairs, Living Rev. Relativity 6, 5 (2003).
- D. R. Lorimer, Living Rev. Relativity 11, 8 (2008).
- C. M. Will, Living Rev. Relativity 17, 4 (2014).
- R. A. Hulse and J. H. Taylor, Astrophys. J. 195, L51 (1975).
- J. H. Taylor, Jr., Rev. Mod. Phys. 66, 711 (1994).
- M. Kramer, I. H. Stairs, R. N. Manchester, M. A. McLaughlin, A. G. Lyne, R. D. Ferdman, M. Burgay, D. R. Lorimer, A. Possenti, N. D’Amico, J. M. Sarkissian, G. B. Hobbs, J. E. Reynolds, P. C. C. Freire, and F. Camilo, Science 314, 97 (2006).
- F. Zhang and P. Saha, Astrophys. J. 849, 33 (2017).
- M. De Laurentis, I. de Martino, and R. Della Monica, Rep. Prog. Phys. 86, 104901 (2023).
- S. Johnston, M. A. Walker, M. H. van Kerkwijk, A. G. Lyne, and N. D’Amico, Mon. Not. R. Astron. Soc. 274, L43 (1995).
- S. Johnston, M. Kramer, D. R. Lorimer, A. G. Lyne, M. McLaughlin, B. Klein, and R. N. Manchester, Mon. Not. R. Astron. Soc. 373, L6 (2006).
- J. S. Deneva, J. M. Cordes, and T. J. W. Lazio, Astrophys. J. Lett. 702, L177 (2009).
- J. S. Deneva, Elusive neutron star populations: Galactic Center and intermittent pulsars, Ph.D. thesis, Cornell University, New York, 2010.
- S. D. Bates, S. Johnston, D. R. Lorimer, M. Kramer, A. Possenti, M. Burgay, B. Stappers, M. J. Keith, A. Lyne, M. Bailes, M. A. McLaughlin, J. T. O’Brien, and G. Hobbs, Mon. Not. R. Astron. Soc. 411, 1575 (2011).
- J. A. Kennea, D. N. Burrows, C. Kouveliotou, D. M. Palmer, E. Göǧüş, Y. Kaneko, P. A. Evans, N. Degenaar, M. T. Reynolds, J. M. Miller, R. Wijnands, K. Mori, and N. Gehrels, Astrophys. J. Lett. 770, L24 (2013).
- K. Mori et al., Astrophys. J. Lett. 770, L23 (2013).
- N. Rea et al., Astrophys. J. Lett. 775, L34 (2013).
- M. E. Lower, S. Dai, and S. Johnston, Astrophys. J. Lett. 967, L16 (2024).
- J. M. Cordes and T. J. W. Lazio, arXiv:astro-ph/0207156.
- B. J. Rickett, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 15, 479 (1977).
- R. P. Eatough, M. Kramer, B. Klein, R. Karuppusamy, D. J. Champion, P. C. C. Freire, N. Wex, and K. Liu, IAU Symp. 291, 382 (2013).
- R. M. Shannon and J. M. Cordes, Mon. Not. R. Astron. Soc. 464, 2075 (2017).
- R. S. Wharton, S. Chatterjee, J. M. Cordes, J. S. Deneva, and T. J. W. Lazio, Astrophys. J. 753, 108 (2012).
- P. Torne, G. Desvignes, R. P. Eatough, M. Kramer, R. Karuppusamy, K. Liu, A. Noutsos, R. Wharton, C. Kramer, S. Navarro, G. Paubert, S. Sanchez, M. Sanchez-Portal, K. F. Schuster, H. Falcke, and L. Rezzolla, Astron. Astrophys. 650, A95 (2021).
- P. Torne, K. Liu, Eatough et al., Astrophys. J. 959, 14 (2023).
- D. F. Figer, in Massive Stars: From Pop III and GRBs to the Milky Way, Space Telescope Science Institute Symposium Series No. 20, edited by M. Livio and E. Villaver (Cambridge University Press, Cambridge, England, 2009), pp. 40–59.
- E. Pfahl and A. Loeb, Astrophys. J. 615, 253 (2004).
- F. Zhang, Y. Lu, and Q. Yu, Astrophys. J. 784, 106 (2014).
- K. M. Rajwade, D. R. Lorimer, and L. D. Anderson, Mon. Not. R. Astron. Soc. 471, 730 (2017).
- J. Chennamangalam and D. R. Lorimer, Mon. Not. R. Astron. Soc. 440, L86 (2014).
- E. Keane et al., Proc. Sci. AASKA14 (2015) 040 [arXiv:1501.00056].
- R. Nan, D. Li, C. Jin, Q. Wang, L. Zhu, W. Zhu, H. Zhang, Y. Yue, and L. Qian, Int. J. Mod. Phys. D 20, 989 (2011).
- G. C. Bower, A. Broderick, J. Dexter, S. Doeleman, H. Falcke, V. Fish, M. D. Johnson, D. P. Marrone, J. M. Moran, M. Moscibrodzka, A. Peck, R. L. Plambeck, and R. Rao, Astrophys. J. 868, 101 (2018).
- K. Akiyama, A. Alberdi, W. Alef, J. C. Algaba, R. Anantua, K. Asada, R. Azulay, U. Bach, A.-K. Baczko, D. Ball et al., Astrophys. J. Lett. 930, L12 (2022).
- N. Wex and S. M. Kopeikin, Astrophys. J. 514, 388 (1999).
- K. Liu, N. Wex, M. Kramer, J. M. Cordes, and T. J. W. Lazio, Astrophys. J. 747, 1 (2012).
- M. Kramer et al., Phys. Rev. X 11, 041050 (2021).
- H. Hu et al., Astron. Astrophys. 667, A149 (2022).
- D. Psaltis, N. Wex, and M. Kramer, Astrophys. J. 818, 121 (2016).
- P. Christian, D. Psaltis, and A. Loeb, arXiv:1511.01901.
- R. N. Izmailov, E. R. Zhdanov, A. Bhadra, and K. K. Nandi, Eur. Phys. J. C 79, 105 (2019).
- R. Della Monica, I. De Martino, and M. De Laurentis, Mon. Not. R. Astron. Soc. 524, 3782 (2023).
- R. Eatough, T. J. W. Lazio, J. Casanellas, S. Chatterjee, J. M. Cordes, P. B. Demorest, M. Kramer, K. J. Lee, K. Liu, S. M. Ransom, and N. Wex, Proc. Sci. AASKA14 (2015) 045.
- R. Della Monica, Astron. Astrophys. 698, A193 (2025).
- S. Chandrasekhar, The Mathematical Theory of Black Holes (Clarendon Press, Oxford, England, 1998).
- E. Hackmann and A. Dhani, Gen. Relativ. Gravit. 51, 37 (2019).
- T. Damour and N. Deruelle, Ann. Inst. Henri Poincaré Phys. Théor 44, 263 (1986).
- F. W. J. Olver, A. B. O. Daalhuis, D. W. Lozier, B. I. Schneider, R. F. Boisvert, C. W. Clark, B. V. S. B. R. Mille and, H. S. Cohl, and e. M. A. McClain, NIST Digital Library of Mathematical Functions (National Institute of Standards and Technology (NIST), Gaithersburg, MD, USA, 2020), http://dlmf.nist.gov/ (Release 1.0.26 of March 2020, 15).
- R. T. Edwards, G. B. Hobbs, and R. N. Manchester, Mon. Not. R. Astron. Soc. 372, 1549 (2006).
- D. Lai and R. R. Rafikov, Astrophys. J. Lett. 621, L41 (2005).
- J. H. Taylor, L. A. Fowler, and P. M. McCulloch, Nature (London) 277, 437 (1979).
- J. H. Taylor and J. M. Weisberg, Astrophys. J. 345, 434 (1989).
- A. Wolszczan and D. A. Frail, Nature (London) 355, 145 (1992).
- V. M. Kaspi, J. H. Taylor, and M. F. Ryba, Astrophys. J. 428, 713 (1994).
- R. T. Edwards, W. van Straten, and M. Bailes, Astrophys. J. 560, 365 (2001).
- G. B. Hobbs, R. T. Edwards, and R. N. Manchester, Mon. Not. R. Astron. Soc. 369, 655 (2006).
- G. Agazie et al. (NANOGrav Collaboration), Astrophys. J. Lett. 951, L8 (2023).
- J. Antoniadis et al. (EPTA and InPTA Collaborations), Astron. Astrophys. 678, A50 (2023).
- D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951, L6 (2023).
- H. Xu et al., Res. Astron. Astrophys. 23, 075024 (2023).
- J. Luo, S. Ransom, P. Demorest, P. S. Ray, A. Archibald, M. Kerr, R. J. Jennings, M. Bachetti, R. van Haasteren, C. A. Champagne, J. Colen, C. Phillips, J. Zimmerman, K. Stovall, M. T. Lam, and F. A. Jenet, Astrophys. J. 911, 45 (2021).
- R. Blandford and S. A. Teukolsky, Astrophys. J. 205, 580 (1976).
- S. M. Kopeikin, Astrophys. J. Lett. 439, L5 (1995).
- S. M. Kopeikin, Astrophys. J. Lett. 467, L93 (1996).
- N. Wex, Mon. Not. R. Astron. Soc. 298, 67 (1998).
- D. R. Lorimer and M. Kramer, Handbook of Pulsar Astronomy (Cambridge University Press, Cambridge, 2004), Vol. 4.
- R. Abuter et al. (Gravity Collaboration), Astron. Astrophys. 636, L5 (2020).
- K. Abd El Dayem et al. (Gravity Collaboration), Astron. Astrophys. 692, A242 (2024).
- Z. Chen, T. Do, A. M. Ghez, M. W. Hosek, A. Feldmeier-Krause, D. S. Chu, R. O. Bentley, J. R. Lu, and M. R. Morris, Astrophys. J. 944, 79 (2023).
- M. J. Rees, Nature (London) 333, 523 (1988).
- I. Waisberg, J. Dexter, S. Gillessen, O. Pfuhl, F. Eisenhauer, P. M. Plewa, M. Bauböck, A. Jimenez-Rosales, M. Habibi, T. Ott, S. von Fellenberg, F. Gao, F. Widmann, and R. Genzel, Mon. Not. R. Astron. Soc. 476, 3600 (2018).
- A. Generozov, H. B. Perets, M. S. Bordoni, G. Bourdarot, A. Drescher, F. Eisenhauer, R. Genzel, S. Gillessen, F. Mang, T. Ott, D. C. Ribeiro, and R. Schödel, Astron. Astrophys. 696, A68 (2025).
- D. Foreman-Mackey, D. W. Hogg, D. Lang, and J. Goodman, Publ. Astron. Soc. Pac. 125, 306 (2013).
- T. Damour and G. Schafer, Nuovo Cimento B 101, 127 (1988).
- R. N. Manchester, G. B. Hobbs, A. Teoh, and M. Hobbs, Astron. J. 129, 1993 (2005).
- 10.54499/UID/PRR/00099/2025.
- 10.54499/UID/00099/2025.
- www.scayle.es.