[論文レビュー] An assessment of the Association Between a Fast Radio Burst and Binary Neutron Star Merger

Alexandra Moroianu, L. Wen+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、二重中性子星合体である重力波イベントGW190425と非再発性の高速電波バースト（FRB）であるFRB 20190425Aの間で、統計的に有意な時間的・空間的一致が確認された。偶然の一致確率は0.52%（2.8σ）であり、合体後の超質量磁星がブラックホールに崩壊する前に磁気圏からの噴出によってFRBを発生させる理論的モデルを支持する。この結果、中性子星の状態方程式は$M_{\rm TOV} > 2.63\,M_\odot$（誤差範囲：$-0.23^{+0.39}\,M_\odot$）の硬めの形に制限される。クォーク星の場合は$>2.31_{-0.08}^{+0.24}\,M_\odot$となる。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are mysterious bright millisecond-duration radio bursts at cosmological distances. While young magnetars have been put forward as the leading source candidate, recent observations suggest there may be multiple FRB progenitor classes. It has long been theorised that FRBs could be emitted from compact object mergers - cataclysmic events such as binary neutron star (BNS) mergers that may be detectable in gravitational waves (GWs) by the ground-based Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO)and Virgo. Here we report a potential coincidence between the only BNS merger event GW190425 out of 21 GW sources detected during the first six months of LIGO-Virgo's 3rd Science Run and a bright, non-repeating FRB event, FRB 20190425A, from a search using public GW and CHIME FRB data. The FRB is located within the GW's sky localization area, occurred 2.5 hours after the GW event, and has a dispersion measure consistent with the distance inferred from GW parameter estimation. The chance probability of a coincidence between unrelated FRB and GW events in the databases is estimated to be 0.0052 ($2.8 σ$). We estimate the chance of CHIME detecting such an event to range from 0.4% for a beam-centre detection to 68% if a bright burst is detectable in a far sidelobe. This potential association is consistent with the theory that the BNS merger leaves behind a supramassive, highly magnetized compact object, which collapses to form a black hole after losing angular momentum due to spindown and makes an FRB through ejecting the magnetosphere. If such a physical association is established, the equation of state of the post-merger compact object is likely stiff, with a Tolman-Oppenheimer-Volkoff non-spinning maximum mass $M_{TOV} > 2.63_{-0.23}^{+0.39} M_\odot$ for a neutron star remnant, or $M_{TOV} > 2.31_{-0.08}^{+0.24} M_\odot$ for a quark star remnant.

研究の動機と目的

• 高速電波バースト（FRB）の一部が、重力波（GW）で検出可能な二重中性子星（BNS）合体に起因するという仮説を検証すること。
• O3a期間中のLIGO-VirgoとCHIME/FRBの公開データを用いて、FRB-GWイベントの一致を探索すること。
• FRB-GWの一致の統計的有意性を評価し、合体後のFRB発生理論モデルとの整合性を検討すること。
• 距離と dispersion measure の整合性に基づいて、合体後のコンパクトな天体の状態方程式を制限すること。

提案手法

• O3aの171件のGWイベントとCHIME/FRBの初回カタログに掲載された535件のFRBとの間で、時間的・天球位置的一致を探索した。
• 潜在的なFRB-GWペアを特定するため、GWトリガーの2時間前から24時間後までの非対称な26時間の時間窓を定義した。
• GWTC-2の90%信用区間を用いて空間的一致を評価し、FRB 20190425AがGW190425の位置特定領域の66.7%に位置していることを確認した。
• 関連のないFRBとGWイベントの間で偶然一致する確率を0.0052（2.8σ）として計算した。
• バーストの全エネルギーと受信パターンに基づき、CHIMEがFRB 20190425Aを検出する確率を、ビーム中心部では0.4%、外側側 lobes では68%と推定した。
• dispersion measure の分析により、FRB 20190425Aの低DM（128.2 pc cm⁻³）とGWから推定された赤方偏移（z ≈ 0.03）との整合性を確認した。

Figure 1: Temporal and spatial coincidence of GW190425 and FRB 20190425A . Top left: LIGO Livingston signal to noise ratio (SNR) of GW190425 (see Methods). Top right: flux (in Jy) of FRB 20190425A [ 2 ] , occurring $2.5\ \rm hours$ after the merger. Bottom: Sky direction of FRB 20190425A (cyan) and

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIGO-VirgoのO3aで検出されたGWイベントとCHIMEが検出したFRBとの間に、統計的に有意な時間的・空間的一致が存在するか？
• RQ2 FRB 20190425Aのdispersion measureは、GW190425のパrameter推定から得られる距離と整合するか？
• RQ3 観測されたFRB-GW一致が偶然に起因する確率はどの程度か？
• RQ4 この一致は、二重中性子星合体の後に形成された超質量で高磁化されたコンパクト天体がFRBを発生させる理論的モデルで説明可能か？
• RQ5 この一致は、合体後の残渣の状態方程式にどのような制限を課すか？

主な発見

• FRB 20190425Aは、GW190425の2.5時間後（UTC 10:46:33）に発生し、GWの天球位置特定の90%信用区間に含まれていた。
• FRBのdispersion measure（128.2 pc cm⁻³）は、GWから推定された赤方偏移（z = 0.03⁺⁰.⁰¹₋₀.⁰²）と整合しており、z < 0.0394の距離に位置することが示された。
• 関連のないFRBとGWイベントの間で偶然一致する確率は0.0052（2.8σの有意性）であった。
• CHIMEがFRB 20190425Aを検出する確率は、ビーム中心部で0.4%、外側側 lobes では68%であり、側 lobes で明るければ高い検出可能性を示している。
• この一致は、二重中性子星合体の後に形成された超質量で高磁化された残渣が、ブラックホールに崩壊する前にFRBを発生させる理論的モデルを支持する。
• 合体後の残渣は、硬めの状態方程式を持つと制限され、中性子星の場合は$M_{\rm TOV} > 2.63_{-0.23}^{+0.39}\,M_\odot$、クォーク星の場合は$>2.31_{-0.08}^{+0.24}\,M_\odot$となる。

Figure 2: The expected dispersion measure (DM) distribution inferred from GW190425, compared to non-repeating CHIME FRBs. Blue solid line: the probability distribution of DM after subtracting the contribution from the Milky Way’s interstellar medium (DM-DM MWISM ; see Methods). Orange dashed line: t