[論文レビュー] A fast radio burst with sub-millisecond quasi-periodic structure

Inés Pastor-Marazuela, J. van Leeuwen+32 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 88被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ウェスターボルク合成電波望遠鏡のApertifを用いて検出された、0.415 ms程度の平均間隔を示す0.415 ms未塔の準周期的構造を有する高速電波バースト（FRB）20201020Aを提示する。このバーストは5つの成分を示し、周期性の有意水準は約2.5σであり、磁星の磁気圏プロセスに関連する可能性の高い、新たなFRBの形態的クラスを示唆している。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are extragalactic radio transients of extraordinary luminosity. Studying the diverse temporal and spectral behaviour recently observed in a number of FRBs may help determine the nature of the entire class. For example, a fast spinning or highly magnetised neutron star might generate the rotation-powered acceleration required to explain the bright emission. Periodic, sub-second components, suggesting such rotation, were recently reported in one FRB, and potentially in two more. Here we report the discovery of FRB 20201020A with Apertif, an FRB showing five components regularly spaced by 0.415 ms. This sub-millisecond structure in FRB 20201020A carries important clues about the progenitor of this FRB specifically, and potentially about that of FRBs in general. We thus contrast its features to the predictions of the main FRB source models. We perform a timing analysis of the FRB 20201020A components to determine the significance of the periodicity. We compare these against the timing properties of the previously reported CHIME FRBs with sub-second quasi-periodic components, and against two Apertif bursts from repeating FRB 20180916B that show complex time-frequency structure. We find the periodicity of FRB 20201020A to be marginally significant at 2.5$σ$. Its repeating subcomponents cannot be explained as a pulsar rotation since the required spin rate of over 2 kHz exceeds the limits set by typical neutron star equations of state and observations. The fast periodicity is also in conflict with a compact object merger scenario. These quasi-periodic components could, however, be caused by equidistant emitting regions in the magnetosphere of a magnetar. The sub-millisecond spacing of the components in FRB 20201020A, the smallest observed so far in a one-off FRB, may rule out both neutron-star rotation and binary mergers as the direct source of quasi-periodic FRBs.

研究の動機と目的

• 高速電波バースト（FRB）に、ミリ秒未塔の時間スケールで準周期的サブ構造が存在するかどうかを調査すること。
• FRB 20201020Aがそのサブコンポonentに統計的に有意な周期性を示すかどうかを特定すること。
• CHIME/FRBによる検出例であるFRB 20210206AやFRB 20210213Aと同様に、FRB 20201020Aの形態を比較すること。
• このような周期的構造の物理的起源を探索し、パルサーおよび二重連星合体モデルを除外すること。
• 観測された構造が、磁星のマイクロ構造またはパルサー様の放射プロセスと整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• ウェスターボルク合成電波望遠鏡のApertifシステムからのデータを用いて、FRB 20201020Aのタイミング解析を実施した。
• サブコンポonentの周期性の有意水準を評価するため、$\tilde{S}$-テストを適用した。その結果、有意水準は約2.5σとなった。
• CHIME/FRBのFRB 20210206AおよびFRB 20210213Aのサブコンポonent間隔と形態とを、FRB 20201020Aと比較した。
• FRB 20180916BのバーストA17およびA53を分析し、サブコンポonent間隔および周期性の有意水準に注目した。
• サブミリ秒パルサーおよび二重コンact物体合体モデルを含む、代替の物理的モデルを評価し、これらを除外した。
• パルサーのサブパルスおよび磁星の単一パルスマイクロ構造との類似性を基に、準周期的構造の磁気圏起源を推察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB 20201020Aは、ミリ秒未塔の時間スケールで統計的に有意な準周期的サブ構造を示すか？
• RQ2 FRB 20201020Aの周期性は、CHIME/FRB 20210206A や 20210213A といった既知の準周期的FRBと比較してどのように異なるか？
• RQ3 観測されたミリ秒未塔の周期性は、サブミリ秒パルサーや二重合体合体といった既知の天体物理学的モデルで説明可能か？
• RQ4 FRB 20201020Aの形態は、磁星で観測されるマイクロ構造（例：ラジオ強度の高い磁星）と整合するか？
• RQ5 このような規則的で短時間スケールの構造を生じる物理的メカニズムは何か？また、通常の繰り返しFRB放射とどのように異なるか？

主な発見

• FRB 20201020Aは5つの明確なサブコンポonentを示し、平均間隔は約0.415 msであり、ミリ秒未塔のスケールに位置づけられる。
• FRB 20201020Aの周期性の有意水準は約2.5σであり、標準的な3σの閾値を下回っているが、CHIME/FRB 20210206A や 20210213A と同等の水準である。
• FRB 20180916BのバーストA17は、サブコンポonent間隔が約1 msであり、$\tilde{S}$-テストによる周期性の有意水準は3σを超える。
• 同じFRBのバーストA53は、平均サブコンポonent間隔が約1.7 msであり、少なくとも11個のコンポonentを含むが、明確な周期性は示さない。
• サブミリ秒パルサーおよび二重コンパクト物体合体モデルは、時間スケールおよびエネルギー制約のため、FRB 20201020Aの起源として除外された。
• FRB 20201020Aの形態は、磁星の磁気圏プロセスに最も一致し、ラジオ強度の高い磁星が示すマイクロ構造と類似している。