[論文レビュー] Gertsenshtein-Zel$'$dovich effect: A plausible explanation for fast radio bursts?

Ashu Kushwaha, Sunil Malik+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、短時間放射バースト（FRB）が、中性子星やマグネターなどのコンpakな天体の磁気圏内で、高周波数の重力波（GW）が一様な電磁放射に変換されるゲルツェンシュタイン＝ゼルドビッチ（GZ）効果に起因すると提案する。このモデルは、観測されたピーク放射度、短いパルス幅、および一様性の高い性質を説明でき、高周波数のGWの間接的検出法を提供するとともに、マグネターがFRBの起源であるという仮説を支持する。

ABSTRACT

We present a novel model that may provide an interpretation for a class of non-repeating FRBs -- short ($<1~ m{s}$), bright ($0.1 - 1000~ m{Jy}$) bursts of MHz-GHz frequency radio waves. The model has three ingredients -- compact object, a progenitor with effective magnetic field strength around $10^{10}~{ m Gauss}$, and high frequency (MHz-GHz) gravitational waves (GWs). At resonance, the energy conversion from GWs to electromagnetic waves occurs when GWs pass through the magnetosphere of such compact objects due to the Gertsenshtein-Zel'dovich effect. This conversion produces bursts of electromagnetic waves in the MHz-GHz range, leading to FRBs. Our model has three key features: (i) predict peak-flux, (ii) can naturally explain the pulse width, and (iii) coherent nature of FRB. We thus conclude that the neutron star/magnetar could be the progenitor of FRBs. Further, our model offers a novel perspective on the indirection detection of GWs at high-frequency beyond detection capabilities. Thus, transient events like FRBs are a rich source for the current era of multi-messenger astronomy.

研究の動機と目的

• 非再発性の高速電波バースト（FRB）が示す極めて明るく短い持続時間の起源を説明すること。
• 多数のメカニズムが提案されているにもかかわらず、FRBのエネルギー供給と一様性の普遍的モデルが欠如しているという問題に取り組むこと。
• 10^10 G程度の強い磁場を持つ中性子星やマグネターの磁気圏内で、MHz–GHz帯の重力波（GW）がGZ効果により電磁（EM）波に変換されるメカニズムを提案すること。
• 電磁過程に依存せず、観測された一様性、ピーク放射度、パルス幅を自然に説明できるフレームワークを提供すること。
• 現在の観測能力を超える高周波数のGWを検出するための新しい間接的手法を提供すること。

提案手法

• 重力波がプラズマ内の磁場と結合して電磁放射を生成するプロセスであるGertsenshtein-Zel'dovich効果を用いる。
• 中性子星やマグネターの磁気圏内で、高周波数（MHz–GHz）の重力波がEM波に変換されるプロセスをモデル化する。
• 磁気圏内での重力波周波数とサイクロトロン周波数の共鳴条件を適用し、EM波生成を最大化する。
• 入射GWの振幅と周波数、および磁場強度に基づいて生成されたEM放射の全放射度（LEM）を導出する。
• 一様に励起されたGWが平面状のEM波を生成することに起因する指向性放射を仮定し、観測されたFRBのビーミングと整合する。
• GWが中性子星を通過する確率と、EM放射が地上に向けられている確率を組み合わせることで、イベント発生率を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gertsenshtein-Zel'dovich効果は、非再発性FRBの極めて明るく短い持続時間の起源を説明できるか？
• RQ2 電磁過程に起因するのではなく、重力波変換によって駆動される場合、FRBの一様性はどのように生じるのか？
• RQ3 中性子星の磁気圏内でGZ効果により生成されたEM放射の予測放射度とピーク放射度は何か？
• RQ4 このメカニズムは、全天で1日約10^3件の観測FRB発生率を説明できるか？
• RQ5 このモデルは、現在の検出器が到達できない高周波数の重力波（10^1–10^10 Hz）の実用的でない間接検出チャネルを提供するか？

主な発見

• 理論的EM放射度（LEM）は約10^36 erg/sと予測され、観測されたFRBピーク放射度レベルと整合する。
• このモデルは、共鳴的GW–EM変換プロセスの一時的性質に起因して、FRBの短いパルス幅を自然に説明できる。
• FRBの一様性は、重力波のコherent励起に起因し、GZ効果によってコherentに放射されるEM波が生じることに起因する。
• 観測されたFRB発生率（約10^3/日）は、GWが中性子星を通過する確率が低く、かつEM放射が地球方向にビーム化されているという要因の積としてモデルで再現される。
• このモデルは、高エネルギー対応体が存在しないと予測するが、これは観測と整合する。なぜなら、関与するGWはMHz–GHz帯であり、高エネルギーEM放射を生成しないからである。
• このメカニズムは、14 GHzまで到達する高周波数の重力波を調べるための新しい間接的手段を提供し、初期宇宙物理学やChern-Simons重力理論などの修正重力理論の新しい視点を提供する。