[論文レビュー] Axion Stars and Repeating Fast Radio Bursts with Finite Bandwidths

Aiichi Iwazaki|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、繰り返し発生するフレッシュ・ラジオ・バースト（FRB）であるFRB 121102が、初期段階の銀河におけるブラックホールの周りの磁化された降着円盤とアキソン星の繰り返し衝突によって発生すると提案する。強い磁場（約10¹¹ G）内でのアキソンによって誘導される電場が、電子のコherentな振動を引き起こし、単色放射を生じる。観測されたガウス型スペクトルは、熱的ドップラー効果によって広がり、結果としてバーストの狭帯域と変動する中心周波数を自然に説明する。

ABSTRACT

We have proposed a model of non repeating fast radio bursts ( FRBs ); the collisions between axion stars and neutron stars generate the bursts. In this paper, we propose a model of repeating FRBs which shows that they arise from the several collisions between magnetized accretion disk of a black hole and an axion star orbiting the black hole. There would be many axions stars condensing as dark matter in an early stage galaxy so that such collisions arises repeatedly. The radiations are emitted by coherent oscillations of electrons in the accretion disk. The oscillations are caused by oscillating electric fields, which are induced by axion stars under strong magnetic field $\sim O(10^{11})$G. The emissions are terminated by the thermal fluctuations of the electrons which result from the thermalization of the oscillation energies. Although the radiations are monochromatic, the thermal Doppler effects broaden the spectral lines; their spectra $S(ν)$ are given by $S(ν) \propto \exp(-(ν-ν_c)^2/2(δν)^2)$ with the center frequency $ν_c$. The bandwidth $δν=ν_c\sqrt{T_c/m_e}$ with electron mass $m_e$ is determined by the critical temperature $T_c$ at which the thermal fluctuations terminate the coherent emissions. The observed bandwidths $(3\sim5) imes10^2$MHz are originated from the strong magnetic fields $\sim O(10^{11})$G. With such strong magnetic fields, large amount of the burst energies are produced. Various center frequencies $ν_c$ of the bursts in the repeating FRB 121102 come from the various rotation speeds in the disk which make an intrinsic frequency of the bursts being Doppler shifted. The recent observation showing an extreme magneto-ionic environment around the source of FRB 121102 supports our model.

研究の動機と目的

• 破壊的モデルでは説明できないFRB 121102の繰り返し性を説明すること。
• 繰り返し発生するFRBにおける観測されたガウス型スペクトルプロファイル（帯域幅～200–500 MHz）を説明すること。
• 観測された周波数変動（1.2–3.5 GHz）を、異なる円盤回転速度に起因するドップラーシフトと関連付けること。
• FRBの高いエネルギー出力（～10⁴⁰ erg/s）を、強い磁場（～10¹¹ G）とアキソンから光子への変換と関連付けること。
• FRB 121102で観測されたスペクトルの不安定性（正または負のスペクトル指数）を、内因的な単色放射が熱運動によって広がることで説明するメカニズムを提供すること。

提案手法

• ブラックホールの周りの幾何学的に薄い、強く磁化された降着円盤と軌道を回るアキソン星の衝突をモデル化する。
• アキソン星が、磁場が約10¹¹ Gの環境で、振動する電場を介して電磁放射に変換されると仮定する。
• 円盤内の電子ガスが、アキソンによって誘導される電場によって駆動され、コherentな調和振動を示し、周波数ν_int = m_a/(2π) で電気双極子放射を放出すると考える。
• 熱的電子揺らぎに起因するドップラー広がりを適用し、観測されたスペクトル形状 S(ν) ∝ exp[−(ν−ν_c)² / 2(δν)²] を導出する。
• 帯域幅 δν = ν_c √(T_c / m_e) を導出する。ここで T_c は振動エネルギーの熱化の臨界温度である。
• 観測周波数 ν_ob における宇宙論的赤方偏移、重力的赤方偏移、ドップラー赤方偏移を考慮し、ν_ob ∝ ν_int / (1+z) × √(1−v²)/(1+v cosθ) を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB 121102の繰り返し性は、非破壊的天体物理学的メカニズムによってどのように説明できるか？
• RQ2 なぜバーストはパワー則的プロファイルではなく、ガウス型スペクトルと狭帯域を示すのか？
• RQ3 FRB 121102で観測された周波数変動（1.2–3.5 GHz）を生じる物理的メカニズムは何か？
• RQ4 高いエネルギー出力（～10⁴⁰ erg/s）が、コherent放射モデル内でどのように説明できるか？
• RQ5 FRB 121102で観測されたスペクトルの不安定性（α > 0 および α < 0）の起源は何か？

主な発見

• FRB 121102における観測帯域幅（3–5）×10² MHz は、コherentな電子振動の熱的ドップラー広がりによって説明され、δν ∝ ν_c √(T_c / m_e) と関連づけられる。
• 中心周波数 ν_c ≈ 1.2–1.4 GHz は、アキソン質量 m_a ≈ 2π × (1.2–1.4) GHz ≈ 7.5–8.8 meV と整合的である。
• このモデルは、非繰り返しFRBに対しても、S(ν) ∝ exp[−(ν−ν_c)² / 2(δν)²] のガウス型スペクトルを予測する。ここで ν_c = m_a / [2π(1+z)] である。
• FRB 121102における観測周波数の分散は、内因的なスペクトル変動ではなく、異なる円盤回転速度に起因するドップラーシフトによるものである。
• 強い磁場（～10¹¹ G）のおかげで、アキソンから光子への変換とコherent放射が強化され、FRBの高いエネルギー出力を説明できる。
• FRB 121102の源周辺で高磁化環境が最近検出されたことは、このモデルが発生領域における強い磁場を予測していることを支持する。