[論文レビュー] Fast Radio Bursts from the Decay of Cosmic String Cusps

Robert Brandenberger, Bryce Cyr+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2017

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 36被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、高速電波パulses（FRB）が、宇宙ひもループ上のくびれ（cusp）の部分的消失から生じるとして提唱する。相対論的くびれ崩壊が高指向性の電波放射を生じる。このモデルは、観測と整合する十分なエネルギーフラックス、短い時スケール（約1 ms）、高いイベントレートを予測し、検出可能な光学的対応物と、望遠鏡感度に従いf^{-3/2}に比例する検出率を予測する。

ABSTRACT

We explore the possibility that Fast Radio Bursts are due to the annihilation of cusps on cosmic string loops. We compute the energy released in the annihilation events in the radio region, the expected event rate, and the time scale of the bursts. We find that the energy and event rates are sufficiently high and the time scale is sufficiently small to explain the current data. We predict how the event rate will change as the resolution of telescopes improves. Since the burst rate depends on the string tension, future data will allow the determination of the tension.

研究の動機と目的

• 高速電波パulses（FRB）が、宇宙ひもループ上のくびれの崩壊によって説明可能かどうかを調査すること。
• くびれの消失から生じるエネルギーフラックス、時スケール、イベントレートが観測されたFRBの性質と整合するかどうかを特定すること。
• FRB検出率が望遠鏡感度にどのように依存するかを予測し、光学的対応物の可能性を評価すること。
• 将来のFRB観測を用いて、宇宙ひも張力Gμを制約すること。
• バックリアクション効果に対するモデルの頑健性と、電波周波数帯でのE^{-3/2}光子スペクトルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 零厚さのストリングを仮定し、有限な幅wを持つものとして、Nambu-Goto作用を用いて宇宙ひもループ上のくびれ形成と崩壊をモデル化する。
• くびれの長さスケールをl_c ~ R^{2/3} w^{1/3}として推定し、高エネルギー放射が発生する領域を評価する。ここでRはループの半径である。
• 相対論的粒子ジェットへのくびれ崩壊を仮定し、その後の逆コンプトンまたはシンチレーション過程による光子放出を用いて、電波帯でのエネルギーフラックスを計算する。
• スケーリングされたストリングネットワークとループ分布n(R,t)を仮定し、検出閾値関数としての単位時間・単位体積あたりの期待イベントレートを導出する。
• 光学的対応物の視等級を、m = 20.8 - 2.5 log10(η₀ τ_ms S_Jy / T_60)の式を用いて推定する。ここでS_Jyはピークフラックス密度（Jansky単位）。
• 現在の（Palomar Transient Factory）および将来の（LSST）望遠鏡を用いて、光学的対応物の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙ひもループ上のくびれ崩壊から生じるエネルギーフラックスと時スケールが、観測されたFRBの性質を説明できるか？
• RQ2 宇宙ひもくびれ消失によるFRBの予測イベントレートは何か？また、望遠鏡感度にどのように依存するか？
• RQ3 くびれ崩壊イベントは検出可能な光学的対応物を生成するか？もしそうなら、現在または近い将来の望遠鏡で観測可能か？
• RQ4 将来のFRB観測は、宇宙ひも張力Gμを制約可能か？また、検出率はこのパラメータにどれほど敏感か？
• RQ5 主な不確実性、特にバックリアクション効果と電波周波数帯でのE^{-3/2}光子スペクトルの妥当性についての課題は何か？

主な発見

• 電波帯におけるくびれ崩壊からのエネルギーフラックスは、十分に高く（約1 Jy）、時スケールは短いため（約1 ms）、観測されたFRBの性質と一致する。
• 部分的消失であっても、現在のFRB観測を説明できる十分な予測イベントレートが得られる。
• FRBの検出率は、望遠鏡感度fの増加に伴いf^{-3/2}に比例して増加すると予測され、検証可能な予測となる。
• モデルは視等級m ~ 15の光学的対応物を予測し、Palomar Transient Factoryと将来のLSST調査で検出可能である。
• バーストの時スケールは、非常に短い固有のくびれ崩壊時間よりも、伝搬効果によって支配されている。
• 将来のFRBデータは、宇宙ひも張力Gμを制約可能であり、観測レートと基本的ストリングパラメータの直接的な関係を提供する。