[論文レビュー] Fast radio bursts explained

M. A. Abramowicz, M. Bejger|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、銀河の暗黒物質ハロー内での中性子星への低質量原始ブラックホール（PBH）の合体および降着によって、高速電波パulses（FRB）が発生すると提案している。降着および磁場の散逸によって放出されるエネルギーが、FRBの特徴——ミリ秒の持続時間、約10^43 erg/sの高光度、1日1000個を超える高いイベントレート、高い輝度温度、偏光、ファラデー回転——を説明する。これは、極端な磁場や新しい物理法則を仮定する必要がない。

ABSTRACT

If primordial black holes with masses of $10^{25}\,\mbox{g}\gtrsim m \gtrsim 10^{17}\,\mbox{g}$ constitute a non-negligible fraction of the galactic dark-matter haloes, their existence should have observable consequences: they necessarily collide with galactic neutron stars, nest in their centers and accrete the dense matter, eventually converting them to neutron-star mass black holes while releasing the neutron-star magnetic field energy. Such processes may explain the fast radio bursts phenomenology, in particular their millisecond durations, large luminosities ${\sim}10^{43}$ erg/s, high rate of occurrence $\gtrsim 1000/\mbox{day}$, as well as high brightness temperatures, polarized emission and Faraday rotation. Longer than the dynamical timescale of the Bondi-like accretion for light primordial black holes allows for the repeating fast radio bursts. This explanation follows naturally from (assumed) existence of the dark matter primordial black holes and requires no additional unusual phenomena, in particular no unacceptably large magnetic fields of neutron stars. In our model, the observed rate of fast radio bursts throughout the Universe follows from the presently known number of neutron stars in the Galaxy.

研究の動機と目的

• 原始ブラックホール（PBH）をダークマターの候補として、その天体物理学的結果に基づくメカニズムによって、高速電波パulses（FRB）の起源を説明すること。
• 観測されたミリ秒スケール、極めて高い光度（約10^43 erg/s）、高いイベントレート（1日1000個以上）、偏光された放射を説明すること。
• 中性子星における非現実的なくらい強い磁場を仮定する必要のない、自然なメカニズムを提供すること。
• 観測された宇宙空間におけるFRBレートを、のちに銀河系内の既知の中性子星の集団と直接結びつけること。PBHと中性子星の相互作用を用いる。

提案手法

• 10^17–10^25 gの範囲の低質量原始ブラックホール（PBH）が、ボンディに類似た降着過程によって中性子星に降着するモデル化。
• PBHの降着中に中性子星の磁場が散逸することで発生するエネルギー放出を計算し、これがFRB放射を駆動するとする。
• 観測されたFRBのミリ秒スケールの持続時間と一致するように、降着およびエネルギー放出の timescale を推定する。
• 銀河内の中性子星の既知の数を用いて、PBHがダークマターの非無視可能な割合を占めるものと仮定し、宇宙全体のFRBレートを予測する。
• より軽いPBHでは降着 timescale が長くなることから、繰り返しFRBが発生する条件を評価する。
• 磁場エネルギーの放出およびプラズマ環境に基づき、放射特性（輝度温度、偏光、ファラデー回転）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたFRBの特徴——ミリ秒の持続時間や高い光度——は、原始ブラックホールによる中性子星への降着によって説明可能か？
• RQ2 PBHがダークマターの一部であると仮定した場合、銀河系内の中性子星の既知の集団から、観測された高いFRBレート（1日1000個以上）が自然に導かれるか？
• RQ3 FRBで観測された偏光およびファラデー回転は、PBH-中性子星降着中の磁場エネルギーの散逸によって説明可能か？
• RQ4 FRBが繰り返し発生することは可能か？ もし可能であれば、PBH質量および降着ダイナミクスに関連する条件下でどうなるか？
• RQ5 このモデルでは、代替的FRBモデルで問題となる非現実的な強力な磁場を中性子星に仮定する必要がないか？

主な発見

• FRBのミリ秒スケールの持続時間は、PBHが中性子星に降着する過程での磁場エネルギーの放出 timescale によって説明できる。
• 約10^43 erg/sの光度は、降着中の中性子星の磁場エネルギーの散逸によって自然に生成される。
• 観測されたFRBレート（1日1000個以上）は、銀河内の中性子星の既知の数と整合的であり、PBHがダークマターの非無視可能な割合を占めるものと仮定すれば成立する。
• 高い輝度温度および偏光放射は、磁化されたプラズマ環境における磁場エネルギーのコherentな放出によって生じる。
• ファラデー回転は、降着環境内に存在するイオン化プラズマおよび磁場によって自然に説明できる。
• より軽いPBHでは、降着 timescale が動的 timescale を上回るため、繰り返し発生可能なFRBが可能となる。