[論文レビュー] Recurrent fast radio bursts from collisions of neutron stars in the evolved stellar clusters

V. I. Dokuchaev, Yu N Eroshenko|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、銀河核における高密度で進化した星団内で中性子星の繰り返しの接近および衝突が起こることで、FRB 121102 などの繰り返し発生する短時間バースト（FRB）が発生すると提案している。このモデルは、高い離心率を持つ中性子星連星の繰り返しの近点通過と最終合体によって複数のバーストを説明し、LIGO/Virgo もしくは次世代の検出器で検出可能な重力波放射を伴う。

ABSTRACT

We propose the model describing the observed multiple fast radio bursts due to the close encounters and collisions of neutron stars in the central clusters of the evolved galactic nuclei. The subsystem of neutron star cluster may originate in the dense galactic nucleus evolutionary in the combined processes of stellar and dynamical evolution. The neutron stars in the compact cluster can produce the short living binaries with the highly eccentric orbits, and finally collide after several orbital revolutions. Fast radio bursts may be produced during the close periastron approach and at the process of the final binary merging. In the sufficiently dense star cluster the neutron stars collisions can be very frequent. Therefore, this model can explain in principle the observed recurrent (multiple) fast radio bursts, analogous to the observed ones from the source FRB 121102. Among the possible observational signatures of the proposed model may be the registration of the gravitational wave bursts by the laser interferometers LIGO/VIRGO or by the next generation of gravitational wave detectors.

研究の動機と目的

• 繰り返し発生するFRBの物理的起源を解明する。特にFRB 121102で観測された複数のバーストを対象とする。
• 単一の衝突イベントでは通常再発しないという課題に対し、再発を可能にするメカニズムを提示する。
• 進化した銀河核内の高密度の中性子星星団が、繰り返しの衝突とFRB生成を維持できることを示す。
• 重力波合体からの観測的シグネチャと関連づける。
• 高い離心率を持つ中性子星連星が最終合体までに複数のFRBを生成する動力学的枠組みを提示する。

提案手法

• 銀河核における星間および緩和過程によって駆動される質量分離と動的進化を通じて、高密度の中性子星星団の形成をモデル化する。
• 2体緩和時効率の式 $ t_r acksimeq rac{v^3}{4 au G^2 m^2 n heta} $ を用い、$ heta = ext{ln}(0.4N) $ とすることで、星団の進化時効率を推定する。
• 星団内での重力的相互作用を通じて、高離心率の中性子星連星が形成され、繰り返し近点通過が生じることをシミュレートする。
• 近点通過時の磁気圏再結合および相互作用に起因するFRB放射をモデル化し、最終合体時における放射も含める。
• 最終合体段階からの重力波放射を予測し、LIGO/Virgo もしくは次世代検出器で検出可能であることを示す。
• 衝突ごとのエネルギー放出を $ ext{10}^{51} - ext{10}^{52} $ erg と想定し、ガンマ線バーストや高エネルギーニュートリノ源と関連付ける可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度星団内の繰り返しの中性子星衝突が、FRB 121102 のような観測された再発性を説明できるか？
• RQ2 進化した銀河核内でのどのような動力学的メカニズムが、1つの源からの複数のFRB発生を可能にするか？
• RQ3 中性子星が近点に近づく際の磁気圏相互作用が、複数のFRBをどのように生成するか？
• RQ4 重力波バーストのような観測的シグネチャは、このモデルを単一イベントFRBモデルと区別するのにどのように役立つか？
• RQ5 中性子星衝突からのエネルギー放出と放射様式は、関連するガンマ線バーストが観測されない現象を説明できるか？

主な発見

• 高密度で進化した銀河核星団内の中性子星衝突は、最終合体までの繰り返しの近点通過によって複数のFRBを生成できる。
• 星団内で形成された高離心率連星は、数分間にわたって複数回のFRB発生を引き起こし、各近点通過でパルスが発生する。
• 最終合体イベントは強力なFRBに加え、検出可能な重力波バーストを発生させる。
• 本モデルは、近点通過に起因するFRBは弱く、強い重力波信号と関連しないと予測する。
• 中心の超大質量ブラックホールまたは恒星質量ブラックホールによる重力レンズ効果と相対論的フレイムボールの結果、高エネルギーニュートリノも生成される可能性がある。
• LIGO/Virgo や次世代検出器による重力波検出は、本モデルの主要な観測的検証手段となる。