[論文レビュー] FRBs and dark matter axions

Aiichi Iwazaki|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高速電波パulses（FRB）が中性子星とダークマターのアクシオン星の衝突によって発生すると提案している。電波放射は、強い磁場がアクシオン星に誘導する電場によって加速される電子によって生じる。潮汐力によってアクシオン星が伸びた形状に歪められても、モデルは観測と整合的であり、電子の衝突効果によってFRBの狭帯域性が説明され、ダークマターの集中により銀河中心部でより高いイベントレートが予測される。

ABSTRACT

We have proposed a model of a progenitor of fast radio bursts (FRBs): The FRBs are emitted by electrons in atmospheres of neutron stars when neutron stars collide with dark matter axion stars. We reexamine the model by taking account of the tidal forces of the neutron stars. The axion stars are distorted by the forces so that they become like long sticks when they are close to the neutron stars. Although the tidal forces fairly distort the axion stars, our model is still consistent with present observations. We explain a distinctive feature of our model that the FRBs are not broadband, but narrowband. We also show that two-component FRBs may arise when the axion stars collide with binary neutron stars. FRBs would most frequently arise in centers of galaxies since the dark matter concentrates in the centers.

研究の動機と目的

• 高速電波パulses（FRB）の起源を、中性子星と衝突するアクシオン星における電子加速からの放射として説明すること。
• 中性子星の潮汐力がアクシオン星を伸びた形状に歪めるのを組み込み、モデルを再評価すること。
• アクシオン質量の振動が単一周波数を予想するにもかかわらず、観測されたFRBの狭帯域性を説明すること。
• ダークマターの集中により銀河中心部でFRBが最も頻繁に発生すると予測すること。
• 二重中性子星との衝突によって生じる二成分FRB光曲線の可能性を検討すること。

提案手法

• 質量に依存する半径と振動周波数 $ m_a/(2\pi) $ を持つ、重力的に束縛されたコherentなスカラー場構造としてアクシオン星をモデル化すること。
• 強い磁場におけるアクシオン-光子結合を介してアクシオン星に誘導される電場を計算し、それによって電子が加速されることを示すこと。
• 潮汐力の効果を適用して、中性子星の近くでアクシオン星が長く細い構造に歪むこと、しかし放射メカニズムが維持されることを示すこと。
• 高密度の大気中（$ n_e \sim 10^{20}\,\text{cm}^{-3} $）における電子衝突率を推定し、散乱断面積によって有限帯域幅が生じることを説明すること。
• 重力的および宇宙論的赤方偏移を考慮して、固有のアクシオン周波数 $ \sim 2.4\,\text{GHz} $ と地上観測周波数 $ \sim 1.38\,\text{GHz}/(1+z) $ の関係を確立すること。
• 二重中性子星系へのモデルの拡張により、二成分FRB光曲線を説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星からの潮汐力は、衝突中のアクシオン星の構造と放射にどのように影響するか？
• RQ2 アクシオン質量が単一周波数を示すにもかかわらず、なぜFRBは狭帯域に観測されるのか？
• RQ3 FRBの赤方偏移された周波数は予想されるか？観測結果と比較するとどうなるか？
• RQ4 なぜFRBは銀河中心部でより多く発生するのか？ダークマター分布はこの現象にどのように寄与するか？
• RQ5 二重中性子星との衝突が二成分FRB光曲線を生じる可能性はあるか？

主な発見

• 潮汐力によって球形のアクシオン星は中性子星の近くで長く細い棒状に歪むが、放射メカニズムは依然として妥当である。
• FRBの有限帯域幅は主に高密度プラズマ内での電子衝突に起因し、推定で $ \sim 0.24\,\text{GHz} $ となり、観測制約と整合的である。
• $ m_a = 10^{-5}\,\text{eV} $ の場合、固有の放射周波数は $ \sim 2.4\,\text{GHz} $ であり、地球では $ \sim 1.38\,\text{GHz}/(1+z) $ に赤方偏移される。
• FRBのイベントレートはダークマターの集中により銀河中心部で最も高くなり、観測されたFRBの天球分布と一致する。
• 二重中性子星との衝突によって、複雑な潮汐歪みと二度の放射エピソードが生じ、二成分FRBが発生する可能性がある。
• 磁場を持つ白色矮星からの電波パulsesは、同じメカニズムによって発生しうるが、より小さな重力赤方偏移のため、観測周波数は高くなる。