[論文レビュー] Multi-Wavelength Constraints on the Outflow Properties of the Extremely Bright Millisecond Radio Bursts from the Galactic Magnetar SGR 1935+2154

Shotaro Yamasaki, Kazumi Kashiyama+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 78被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、銀河系のマグネタール SGR 1935+2154 からの多波長放射を調査し、同時発生するミリ秒級の電波パルスと異常に硬いX線パルスが、磁場によって閉じ込められたフレイバルと相対論的アウトフローから生じると提案する。光子の脱出条件とX線パルスと電波パルスの時間ずれ ≤10 ms という制約を用いて、アウトフローは極めてバリオンが少ない（𝜂 ≳ 10⁴）か、非常に磁化された（𝜎₀ ≳ 10³）ものでなければならないと判明し、このような明るいパルスが発生するのは非常にまれな状態であると示唆する。

ABSTRACT

Extremely bright coherent radio bursts with millisecond duration, reminiscent of cosmological fast radio bursts (FRBs), were co-detected with anomalously-hard X-ray bursts from a Galactic magnetar SGR 1935$+$2154. We investigate the possibility that the event was triggered by the magnetic energy injection inside the magnetosphere, thereby producing magnetically-trapped fireball (FB) and relativistic outflows simultaneously. The thermal component of the X-ray burst is consistent with a trapped FB with an average temperature of $\sim200$-$300$ keV and size of $\sim10^5$ cm. Meanwhile, the non-thermal component of the X-ray burst and the coherent radio burst may arise from relativistic outflows. We calculate the dynamical evolution of the outflow, launched with an energy budget of $10^{39}$-$10^{40}$ erg comparable to that for the trapped FB, for different initial baryon load $\eta$ and magnetization $\sigma_0$. If hard X-ray and radio bursts are both produced by the energy dissipation of the outflow, the outflow properties are constrained by combining the conditions for photon escape and the intrinsic timing offset $\lesssim10$ ms among radio and X-ray burst spikes. We show that the hard X-ray burst must be generated at $r_{ m X}\gtrsim10^{8}$ cm from the magnetar, irrespective of the emission mechanism. Moreover, we find that the outflow quickly accelerates up to a Lorentz factor of $10^2\lesssim\Gamma\lesssim10^3$ by the time it reaches the edge of the magnetosphere and the dissipation occurs at $10^{12}$ cm $\lesssim r_{ m radio,X}\lesssim10^{14}$ cm. Our results imply either extremely-clean ($\eta\gtrsim10^4$) or highly-magnetized ($\sigma_0\gtrsim10^3$) outflows, which might be consistent with the rarity of the phenomenon.

研究の動機と目的

• SGR 1935+2154 から発生する同時発生する硬いX線パルスとコherent電波パルスを引き起こす相対論的アウトフローの物理的性質を制約すること。
• 硬いX線パルスが閉じ込められたフレイバルから起因するのか、それとも相対論的アウトフロー内のエネルギー散逸から起因するのかを特定すること。
• 多波長の時間遅れとスペクトル的制約を用いて、アウトフローの初期バリオン負荷および磁化度に対する制限を導出すること。
• 2020年4月28日イベントの稀少性を、高磁化または低バリオン含有量といった極端なアウトフロー特性と結びつけて説明すること。
• 電波およびX線放射をアウトフローに基づくモデルで説明可能かどうかを評価すること。ただし、パルス成分間の観測された ≲10 ms の時間ずれを前提とする。

提案手法

• エネルギー予算 10³⁹–10⁴⁰ erg で発射される相対論的アウトフローの力学的進化を、初期バリオン負荷 𝜂 と磁化度 𝜎₀ を変化させてモデル化する。
• 光子脱出条件を適用して、硬いX線放射が脱出可能な半径を制約し、𝑟X ≳ 10⁸ cm を要請する。
• 観測された電波パルスとX線パルスの時間ずれ ≲10 ms を用いて、アウトフローの散逸半径を制約する。
• アウトフローの進行経路に沿ってローレンツ因子 Γ と磁化度 𝜎 の進化を計算し、磁気圏境界に達するまでに Γ ≳ 10² に急速に加速することを示す。
• 放射メカニズムを比較する：熱的X線成分には閉じ込められたフレイバル、非熱的X線およびコherent電波パルスにはアウトフロー散逸を想定する。
• コンパクトネス、高速冷却、カットオフ周波数の基準を用いて、異なるアウトフローパラメータに対して 𝑛′ₑ–𝑟 平面上の許容領域をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線および電波パルスを引き起こす相対論的アウトフローの初期バリオン負荷 𝜂 および磁化度 𝜎₀ に対する制約は何か？
• RQ2 アウトフローからの硬いX線放射はどの半径で発生するのか？ これは放射メカニズムに依存するか？
• RQ3 電波パルスとX線パルスの時間ずれ ≲10 ms は、アウトフロー散逸モデルで説明可能か？
• RQ4 アウトフローのローレンツ因子は、コherent放射メカニズムによって観測された電波放射を生成するのに十分か？
• RQ5 2020年4月28日イベントがなぜ極めて稀なのか？ そして、極端なアウトフロー特性（高磁化度または低バリオン含有量）がその希少性をどのように説明するのか？

主な発見

• 硬いX線パルスは、放射メカニズムにかかわらず、マグネタールから 𝑟X ≳ 10⁸ cm の距離で発生しなければならない。
• 相対論的アウトフローは急速に加速し、磁気圏境界に達する頃にはローレンツ因子 Γ が 10² ≲ Γ ≲ 10³ に達する。
• X線および電波パルスを引き起こすエネルギー散逸は、半径 10¹² cm ≲ 𝑟radio,X ≲ 10¹⁴ cm の範囲で発生する。
• アウトフローは初期バリオン負荷 𝜂 ≳ 6 × 10³ または初期磁化度 𝜎₀ ≳ 100 でなければならない。これは、極めてクリーンな、もしくは非常に磁化されたプラズマを示唆する。
• 全バリオン質量の上限は 𝑚𝑏 ≲ 1.8 × 10¹⁴ g であり、これは歴史的グランドフレアからの推定値と比べて多数桁小さい。
• このイベントの稀少性は、非常に低いバリオン負荷または非常に高い磁化度を要する極端な状態に起因する可能性があり、このようなアウトフローはまれである。