[論文レビュー] A Bright Fast Radio Burst from FRB 20200120E with Sub-100-Nanosecond Structure

Walid A. Majid, Aaron B. Pearlman+6 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 59被引用数 89

ひとこと要約

本研究では、NASAの深宇宙網（DSN）の70 m DSS-63アンテナを用いて2.25 GHzで観測した結果、FRB 20200120Eから、100ナノ秒未塔の時間スケールの明るい電波バーストが検出された。バーストは、幅が ≲100 ns（光行距離サイズ ≤30 m）の最も狭い成分を示し、ピークフラックス密度は270 Jy、スペクトルラディアンスは4×10³⁰ erg s⁻¹ Hz⁻¹に達する。これはカブスパルサーのナノショットよりも約500倍明るく、極めて高い発光の空間的集中度を示しており、数ミリ秒周期のパルサー起源の可能性を支持する。

ABSTRACT

We present the detection of a bright radio burst at radio frequencies between 2.2--2.3 GHz with the NASA Deep Space Network (DSN) 70 m dish (DSS-63) in Madrid, Spain from FRB~20200120E. This repeating fast radio burst (FRB) was recently discovered by the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment Fast Radio Burst (CHIME/FRB) instrument and reported to be associated with the M81 spiral galaxy at a distance of 3.6 Mpc. The high time resolution capabilities of the recording system used in this observation, together with the small amount of scattering and intrinsic brightness of the burst, allow us to explore the burst structure in unprecedented detail. We find that the burst has a duration of roughly 30 $\mu$s and is comprised of several narrow components with typical separations of 2--3 $\mu$s. The narrowest component has a width of $\lesssim$ 100 ns, which corresponds to a light travel time size as small as 30 m, the smallest associated with an FRB to date. The peak flux density of the narrowest burst component is 270 Jy. We estimate the total spectral luminosity of the narrowest component of the burst to be 4 $ imes$ 10$^{ ext{30}}$ erg s$^{ ext{-1}}$ Hz$^{ ext{-1}}$, which is a factor of $\sim$500 above the luminosities of the so-called "nanoshots" associated with giant pulses from the Crab pulsar. This spectral luminosity is also higher than that of the radio bursts detected from the Galactic magnetar SGR 1935+2154 during its outburst in April 2020, but it falls on the low-end of the currently measured luminosity distribution of extragalatic FRBs. These results provide further support for the presence of a continuum of FRB burst luminosities.

研究の動機と目的

• 高時間分解能電波観測を用いて、FRB 20200120Eの固有時間スケールおよび発光構造を解明すること。
• 100ナノ秒未塔の時間分解能を用いて、バースト発光領域の物理的サイズとラディアンスを制約すること。
• 散乱および伝搬効果が観測されたバーストプロファイルに与える影響を評価すること。
• バーストのラディアンスおよびマイクロ構造が、特にパルサー様の系を想定した発生源モデルに与える意味を検討すること。
• 低周波数での散乱測定を用いて、FRB 20200120Eがの銀河のイオン化ハローをプローブする可能性を検討すること。

提案手法

• DSN 70 m DSS-63アンテナを用いた2.25 GHz（Sバンド）および8.36 GHz（Xバンド）の同時二帯域観測。
• 62.5 nsの時間分解能と16 MHzのサブバンドを用いたベースバンド記録により、高い時間的忠実度を達成。
• 標高DM 87.82 pc cm⁻³を用いたコherentlyな分散補正により、分散したパルス成分を整合。
• ボックスカル関数（62.5 nsから16.2 ms）を用いた一致フィルタリングにより、SN比 >7.0のバースト候補を検出。
• 月および既知のカリブレーターサンプルを用いたフラックスキャリブレーションにより、絶対フラックス密度を決定。
• 最も狭い成分の幅から光行距離を用いて、固有発光サイズを推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB 20200120Eの最も明るいバースト成分の固有時間スケールは何か？ 100ナノ秒未塔の構造が解像可能か？
• RQ2 最も狭い成分の幅と光行距離から、発光領域の物理的サイズはどの程度か？
• RQ3 最も狭い成分のスペクトルラディアンスは、カブスパルサーおよびSGR 1935+2154などの既知の天体的電波トランジエントと比較してどうか？
• RQ4 銀河系および母銀河の散乱が、観測されたパルス幅広がりに与える寄与は何か？
• RQ5 バースト成分の準周期的マイクロ構造は、回転する中性子星またはパルサー様の源を示唆するか？

主な発見

• 最も狭いバースト成分の全幅半最大幅は ≲100 nsであり、光行距離サイズは ≤30 mに相当する。
• 最も狭い成分のピークフラックス密度は270 Jy、スペクトルラディアンスは4×10³⁰ erg s⁻¹ Hz⁻¹に達する。これはカブスパルサーのナノショットよりも約500倍明るい。
• バースト持続時間は約30 µsであり、2–3 µsの間隔で複数の狭帯成分が並んでいる。全フラクチュエーションは1.2 Jy msである。
• 観測されたパルス幅広がりは、2.3 GHzでτsc ≲100 nsに制限され、1 GHzで散乱時間は ≲3 µsに相当する。これは、銀河のディスクおよびハローからの最小限の散乱と整合的である。
• マイクロ構造の準周期的間隔（2–3 µs）は、パルサーのマイクロ構造に類似しており、数ミリ秒周期のパルサー起源の可能性を示唆する。
• 発光を駆動するに必要な磁場強度は約2×10¹¹ Gと推定されるが、相対論的ビーム効果がこの推定値を低下させる可能性がある。