[論文レビュー] Collision between Neutron Stars and Asteroids as a Mechanism for Fast Radio Bursts

Yong-Feng Huang, Jin-Jun Geng|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、短時間放射バースト（FRB）が中性子星と小惑星の衝突によって生じるのだと提案しており、その結果としてミリ秒の持続時間、高いエネルギー、観測された発生頻度を説明している。モデルは、磁化プラズマ火炎球内を運動する相対論的電子によるコherent曲率放射をFRB放射の原因としている。X線後光は現在の検出器では検出不能ほど微弱であり、観測された発生頻度と整合する約10^4 sky⁻¹ day⁻¹の発生頻度を予測している。

ABSTRACT

As a new kind of radio transient sources detected at $\\sim 1.4$ GHz, fast radio bursts are specially characterized by their short durations and high intensities. Although only ten events are detected so far, fast radio bursts may actually frequently happen at a rate of $\\sim 10^{3}$ --- $10^4~\ m{sky}^{-1}~\ m{day}^{-1}$. We suggest that fast radio bursts can be produced by the collisions between neutron stars and asteroids. This model can naturally explain the millisecond duration of fast radio bursts. The energetics and event rate can also be safely accounted for. Fast radio bursts thus may be one side of the multifaces of the neutron star-small body collision events, which are previously expected to lead to X-ray/gamma-ray bursts or glitch/anti-glitches.

研究の動機と目的

• 短時間放射バースト（FRB）のミリ秒の持続時間、高い強度、高い発生頻度を説明すること。
• 高いエネルギー出力にもかかわらず、X線または多波長の後光が検出されない理由を説明すること。
• 観測された分散測定値と宇宙論的距離を、中性子星と小規模天体を含む物理的メカニズムと整合させること。
• FRBを中性子星-小天体衝突事象と結びつける統一的フレームワークを提示すること。これは、以前にX線・ガンマ線バーストやグルーブスと関連づけられていたものである。

提案手法

• 小惑星が中性子星と衝突するモデル化により、重力的ポテンシャルエネルギーが解放されること。
• 中性子星表面から膨張する相対論的プラズマ火炎球の形成をシミュレーションし、厚さΔ ≈ cτとする。
• 磁場線内を運動する相対論的電子からのコherent曲率放射を計算し、放射体積V_emi ≈ 4πfΔr_emi²とする。
• 全曲率放射出力L_tot ≈ (P_e N_coh²) × N_patとして推定する。ここでP_eは1電子の放射出力、N_cohとN_patは電子数およびパッチ数を表す。
• F_X ≈ σT⁴R_NS²/d_L²を用いてX線後光放射出力を評価し、宇宙論的距離では現在の検出器では検出不可能ほど微弱であることを示す。
• 観測可能な宇宙における全中性子星数と1中性子星あたりの衝突頻度をスケーリングして発生頻度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星-小惑星衝突が、観測されたミリ秒の持続時間と高い輝度温度を持つFRBを自然に生成できるか？
• RQ2 FRBの高いエネルギー放出にもかかわらず、なぜX線または多波長の後光が検出されないのか？
• RQ3 観測されたFRB発生頻度（約10^3–10^4 sky⁻¹ day⁻¹）は、中性子星への小惑星衝突の予想頻度と整合するか？
• RQ4 このモデルは、小惑星のサイズに応じて宇宙論的FRBと銀河系内FRBの両方を説明できるか？
• RQ5 放射メカニズム（コherent曲率放射）は、観測された電波放射出力とスペクトル的特徴をどのように説明できるか？

主な発見

• 小惑星が中性子星と衝突すると、相対論的プラズマ火炎球が生成され、コherent曲率放射を発生する。これはFRBのミリ秒スケールの持続時間を自然に説明する。
• コherent放射による全電波放射出力は約10^42–10^43 erg s⁻¹に達し、観測されたFRBの放射出力と一致する。
• 高温の表面領域からのX線後光は、現在の機器では検出不可能ほど微弱（検出限界より12マグニチュード以上暗い）であると予測される。
• 予測されるFRB発生頻度は約10^4–10^5 f_{-3} sky⁻¹ day⁻¹であり、観測された頻度（約10^3–10^4 sky⁻¹ day⁻¹）と整合する。
• このモデルは、中性子星-小天体衝突の1つの顕在化としてFRBを説明し、以前に仮説されたX線バースト、グルーブス、アンチグルーブスと結びつける。
• FRBが宇宙論的でない場合でも、このモデルは成立する。なぜなら、より小さな小惑星が銀河平面内でも検出可能なFRBを生成できるからである。