[論文レビュー] Burst timescales and luminosities link young pulsars and fast radio bursts

Kenzie Nimmo, J. W. T. Hessels+46 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 78被引用数 27

ひとこと要約

この論文は高時間分解能で検出されたFRB 20200120Eのサブマイクロ秒フ bursts を報告し、その性質をCrab様パルサー巨大パルスやマグネター爆発と結びつけ、広い時間スケールと輝度にわたる共通の磁気駆動発光機構を主張する。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are extragalactic radio flashes of unknown physical origin. Their high luminosities and short durations require extreme energy densities, like those found in the vicinity of neutron stars and black holes. Studying the burst intensities and polarimetric properties on a wide range of timescales, from milliseconds down to nanoseconds, is key to understanding the emission mechanism. However, high-time-resolution studies of FRBs are limited by their unpredictable activity levels, available instrumentation and temporal broadening in the intervening ionised medium. Here we show that the repeating FRB 20200120E can produce isolated shots of emission as short as about 60 nanoseconds in duration, with brightness temperatures as high as $3 imes 10^{41}$ K (excluding relativistic effects), comparable to `nano-shots' from the Crab pulsar. Comparing both the range of timescales and luminosities, we find that FRB 20200120E observationally bridges the gap between known Galactic young pulsars and magnetars, and the much more distant extragalactic FRBs. This suggests a common magnetically powered emission mechanism spanning many orders of magnitude in timescale and luminosity. In this work, we probe a relatively unexplored region of the short-duration transient phase space; we highlight that there likely exists a population of ultra-fast radio transients at nanosecond to microsecond timescales, which current FRB searches are insensitive to.

研究の動機と目的

• FRB 20200120Eで最も速い時間スケールと最高の輝度温度を探索する。
• 観測されたFRBの特性を銀河系パルサーとマグネターと橋渡しし、発光機構を評価する。
• FRB 20200120EがCrabパルサーGPsおよびSGR 1935+2154爆発と共有する磁気駆動発光シナリオに適合するかを評価する。

提案手法

• アドホックEVNアレイとEffelsberg 100 m望遠鏡を用いて31.25 nsのサンプリングでFRB 20200120Eのバーストを記録・解析する。
• 測定DM 87.7527 pc cm^-3 に合わせてデータをコヒーレントディスペクトリングを適用し、高時間分解解析のための全強度フィルターバンクを作成する。
• 孤立した高S/Nショットを同定し、それらが実際のショットかノイズかを局所 AMN（カイ二乗分布）統計で評価する。
• 動的スペクトルの2次元自己相関を計算し、バースト幅、スペクトル範囲、散乱帯域を抽出する。
• PSR B0355+54を用いて偏光を較正し、回転測度と偏光特性を導出する。
• 測定されたバーストの等方性光度スペクトルと時間スケールをFRB、CrabパルサーGP、およびマグネター爆発と比較し、発光機構を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB 20200120Eのバーストで観測された最短時間スケールとその輝度はどれくらいか。
• RQ2 FRB 20200120EのバーストはCrabパルサー巨大パルスまたはマグネター爆発に類似したマイクロ秒未満の構造を示すか。
• RQ3 FRB 20200120Eを銀河系パルサーとマグネターに時間スケール・輝度の位相空間で意味ある形で結び付け、磁気駆動発光機構を支持できるか。
• RQ4 FRB 20200120Eの偏光特性とRMは何で、他のリピーターと比べてどうか。

主な発見

Burst	Time of Arrival a	Fluence b	Peak S/N c	Peak Flux Density b,c	Spectral Luminosity b,d,e	Width f	Frequency Extent f	Scintillation bandwidth h
B1	59265.88304437179	0.13 ± 0.03	6.6	1.59 ± 0.32	0.56 ± 0.13	156 ± 1	140 ± 1	1.9 ± 0.7
B2	59265.88600912486	0.63 ± 0.13	36.1	8.71 ± 1.74	2.3 ± 0.6	62 ± 1, 93 ± 0.5 g	103 ± 1, 89 ± 1 g	3.4 ± 1.0
B3	59280.69618745651	0.53 ± 0.11	64.8	15.6 ± 3.12	8.0 ± 1.9	46.7 ± 0.1	94 ± 1	6.9 ± 1.1
B4	59280.80173397988	0.71 ± 0.14	29.3	7.07 ± 1.41	4.0 ± 1.0	117 ± 1	134 ± 1	6.8 ± 1.3
B5	59332.50446581106	0.09 ± 0.02	6.9	1.66 ± 0.33	1.0 ± 0.2	56.6 ± 0.1	86 ± 1	2.9 ± 1.5

• FRB 20200120E B3で約60ナノ秒程度の孤立ショットが観測され、輝度温度は約3×10^41 Kまで達する（相対論的効果を除く）。
• バーストの時間スケールは数十ナノ秒から数十マイクロ秒に及び、銀河系の若いパルサー、マグネター、遠方のFRBを結ぶ。
• B3の3つの高有意ショットはマイクロ秒およびサブマイクロ秒の構造を示す；B2とB4は最高分解能でノイズと一致する可能性が高く、マイクロ構造は決定的ではない。
• 測定されたバーストの等方性スペクトル光度はFRBとGP/マグネター発光の連続体の中に位置し、SGR 1935+2154およびCrab GP特性と結びつく。
• 偏光は高度に線偏光（>90%）で、B1–B4ではほとんど円偏光が見られない；RM測定は従来値（約 -29.8 rad m^-2）と一致する。
• FRB 20200120EはミルキーウェイISМと一致する散乱帯域を示し、スペクトル変動には他のリピーターと類似する狭い（MHz級）および広い（約100 MHz級）特徴が含まれる。