[論文レビュー] Magnetic field reversal in the turbulent environment around a repeating fast radio burst

Reshma Anna-Thomas, Liam Connor+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、グリーン・バンク電波望遠鏡とパーキーズ電波望遠鏡からの多周波数偏光観測を用いて、繰り返し発生する電波パルス（FRB 20190520B）の周囲の乱流プラズマ環境において、磁場反転の初回観測を報告している。FRBは17か月間にわたり、符号が2度反転する極めて変動の激しいファラデー回転を示しており、これは、源の10⁻⁵〜100パーセク圏内に、動的で乱流的な磁場が存在することを示唆している。その原因として、おそらく双星の伴星からの星風が考えられる。

ABSTRACT

All the bursts of FRB 20190520B detected from the Green Bank Telescope (GBT) that was used in the Anna-Thomas et al (2022) paper. This dataset contains both L-Band (1.4 GHz) and C-Band (6 GHz) bursts. The data is in pulse archive format, which can be read using the software suite PSRCHIVE or the package PyPulse. The L-band bursts are not calibrated. The C-Band bursts which has an extension .calib is calibrated for both flux and polarization and those which has an extension .calibP is only calibrated for polarization.

研究の動機と目的

• 繰り返し発生する電波パルスFRB 20190520Bの視線方向の磁場構造とプラズマ環境を調査すること。
• FRB 20190520Bで観測された極めて変動の激しいファラデー回転が、視線方向に平行な磁場成分の動的変化を示しているかどうかを特定すること。
• 観測された磁場反転の原因を評価し、特に仮説上の双星伴星との関連性を含めたFRBの局所的環境に与える影響を検討すること。
• ファラデー回転と偏光消去の原因である磁化プラズマスクリーンの距離と物理的状態を制約すること。
• 高いかつ変動の激しい分散測定値（DM）と回転測定値（RM）を踏まえ、FRB 20190520Bの周囲の乱流的で磁化された環境が、双星伴星からの星風と整合するかどうかを検証すること。

提案手法

• 100メートルのグリーン・バンク電波望遠鏡（GBT）を用いて、Lバンド（1.1–1.8 GHz）およびCバンド（4–8 GHz）で、FRB 20190520Bの17か月にわたる偏光モニタリングを実施した。また、パーキーズ電波望遠鏡（Murriyang）では、超広帯域低域（UWL）受信機を用いた。
• 個々のパルスについてファラデー回転測定値（RM）と回転測定値分散関数（RMSF）を測定し、視線方向に沿った磁場分布と電子密度の分布を推定した。
• 標準的な式を用いて分散測定値（DM）と回転測定値（RM）を計算した：RM = (e³ / (2πmₑ²c⁴)) ∫ nₑ(l) B‖(l) dl、ここでB‖は視線方向成分の磁場を表す。
• 複数の観測エポックにおけるパルス固有のRM値を分析し、ファラデー回転の符号の時間的変化および反転を検出した。
• 1–3 GHz未満での観測された偏光消去を、磁場成分がビーム内で変化する乱流的で磁化されたプラズマスクリーンにおけるファラデー回転としてモデル化した。
• 観測されたRMの変動と偏光消去をもとに、FRB源から10⁻⁵〜100パーセクの距離に位置する乱流的で磁化されたプラズマスクリーンの存在を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 17か月の期間にわたりFRB 20190520Bで観測された極めて変動的で符号が反転するファラデー回転の原因は何か？
• RQ2 視線方向のプラズマ環境で観測された1–3 GHz未満の偏光消去を説明する物理的状態は何か？
• RQ3 観測された磁場反転は、FRB源の近傍に存在する乱流的で磁化されたプラズマスクリーンと整合するか？もしそうならば、その主な起源は何か？
• RQ4 磁場反転は、FRB源の双星伴星からの星風を通過する過程によって説明可能か？
• RQ5 測定された分散測定値と回転測定値は、母銀河、銀河間空間、およびミルキーウェイの前方領域の予想と一致するか？

主な発見

• FRB 20190520Bのファラデー回転測定値（RM）は、17か月の期間にわたり2度符号が反転しており、視線方向成分の磁場が反転していることを示している。
• RM値はパルスごとに顕著に変動し、測定値は約-600から+600 rad m⁻²の範囲を示しており、磁化プラズマ環境における強い時間的変動を示している。
• FRBは1–3 GHz未満で強い偏光消去を示しており、これはビーム内で磁場の向きが変化する乱流的プラズマスクリーンにおけるファラデー回転と整合する。
• 観測されたRMの変動と偏光消去は、FRB源から10⁻⁵〜100パーセクの距離に位置する乱流的で磁化されたプラズマスクリーンによって最もよく説明できる。
• 磁場反転と乱流的環境は、FRBが双星伴星の星風を通過していることと整合しており、観測されたプラズマ状態の妥当な起源を提供している。
• 高いかつ変動の激しいDM（母銀河寄与分：DM_host = 902⁺⁸⁸₋₁₂⁸ pc cm⁻³）は、源の近くに密度が高く磁化された環境が存在することを示しており、コンパクトで持続的な電波源と双星系の存在を支持している。