[論文レビュー] Effects of Gravitational Wave Radiation of Eccentric Neutron Star-White Dwarf Binaries on the Periodic Activity of Fast Radio Burst Sources

Yi-Qing Lin, Hao-Yan Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、重力波（GW）放射を組み込んだことで、周期的フレッシュ・ラジオ・バースト（FRB）源のための非円形中性子星-白色矮星（NS-WD）連星モデルを再検討する。周期的活動が発現するのは、GW駆動によるロッシュ・ローブ再充填 timescale（TGW）が軌道周期（Porb）よりもはるかに短く、バーストエピソードの持続期間（Tfrag）がPorb未満である場合に限られることを示し、これがなぜFRB 180916 や 121102 のような長周期FRBにのみ検出可能な周期性が観測されるかを説明する。

ABSTRACT

We revisit the eccentric neutron star (NS)-white dwarf (WD) binary model for the periodic activity of fast radio burst (FRB) sources, by including the effects of gravitational wave (GW) radiation. In this model, the WD fills its Roche lobe at the periastron and mass transfer occurs from the WD to the NS. The accreted materials can be fragmented and arrive at the NS episodically, resulting in multiple bursts through curvature radiation. Consequently, the WD may be kicked away owing to the conservation of angular momentum. To initiate the next mass transfer, the WD has to refill its Roche lobe through GW radiation. In this scenario, whether the periodic activity can show up relies on three timescales, i.e., the orbital period $P_{ m orb}$, the timescale $T_{ m GW}$ for the Roche lobe to be refilled, and the time span $T_{ m frag}$ for all the episodic events corresponding to each mass transfer process. Only when the two conditions $T_{ m GW} \gtrsim P_{ m orb}$ and $T_{ m frag} < P_{ m orb}$ are both satisfied, the periodic activity will manifest itself and the period should be equal to $P_{ m orb}$. In this spirit, the periodic activity is more likely to show up for relatively long periods ($P_{ m orb} \gtrsim$ several days). Thus, it is reasonable that FRBs 180916 and 121102, the only two sources having been claimed to manifest periodic activity, both correspond to relatively long periods.

研究の動機と目的

• 多くの繰り返しFRBが存在するにもかかわらず、なぜFRB 180916 や 121102 のみが周期的活動を示すのかを説明すること。
• 重力波（GW）放射が非円形NS-WD連星における周期的質量移動を可能にする役割を調査すること。
• 観測された活動周期（16.35日および157日）と、接触連星の典型的な軌道周期（数分）との間の矛盾を解消すること。
• 周期的FRB活動が観測可能となる条件、特にtimescale間の相互作用を特定すること。
• 流出および角運動量損失がモデルの妥当性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 質量移動が近日点でのみ発生する非円形軌道を持つNS-WD連星系をモデル化し、白色矮星がロッシュ・ローブを満たす。
• GW放射を組み込み、質量移動後のロッシュ・ローブ再充填に要するtimescale TGWを計算する。
• TGW ∝ (1 - e²)^(3/2) / (M1 + M2) × (M2 / (M1 + M2))^(2/3) × (1 / (M1 M2)) を用いてTGWを計算し、∆M2を自由パラメータとして扱う。
• Tfragを1回の質量移動サイクルごとのエピソード的バースト活動の持続期間と定義し、自由パラメータとして扱う。
• 3つの主要なtimescale、すなわちPorb（軌道周期）、TGW（ロッシュ・ローブ再充填）、Tfrag（バーストエピソード期間）を比較する。
• 周期性が観測可能となる条件は、TGW ≲ PorbおよびTfrag < Porbを満たす必要があり、周期性はPorbに等しいと定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ多くの繰り返しFRBが存在するにもかかわらず、FRB 180916 や 121102 のみが周期的活動を示すのか？
• RQ2 なぜ観測された周期性（16.35日および157日）が、接触連星の典型的な軌道周期（数分）よりもはるかに長いのか？
• RQ3 重力波放射が周期的FRB活動の再発を可能にする条件は何か？
• RQ4 TGWおよびTfragのtimescaleが周期的FRB活動の観測可能性にどのように影響するか？
• RQ5 流出および角運動量損失がモデルの妥当性に果たす役割は何か？

主な発見

• 周期的FRB活動は、TGW ≲ PorbおよびTfrag < Porbの両方が満たされた場合にのみ観測可能であり、これにより活動ウィンドウが狭く繰り返される。
• モデルは、周期的活動が長周期軌道（Porb ≳ 数日）を持つ系でより顕著に現れることを予測しており、これはFRB 180916 や 121102 の長周期を説明する。
• FRB 180916ではTfragが約5日、FRB 121102では約100日である必要があり、観測された活動ウィンドウと整合的である。
• FRB 180916の一部の予測されたウィンドウで活動が見られないのは、TGWがPorbと同等またはそれ以上であるため、再充填が不完全であるためと説明できる。
• Tfrag ≳ Porbの場合、周期性は隠蔽され、これが多くの周期的でない繰り返しFRBが存在する理由を説明できる可能性がある。
• 角運動量を運ぶ流出がTGWを低下させ、周期性を生じやすくするため、モデルの妥当性が向上する。