[論文レビュー] Similar behaviors between FRB 121102 and solar type III radio bursts

G.Q. Zhang, Zi-Gao Dai+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、繰り返し発生するFRB 121102と太陽のタイプIII電波爆発が、エネルギー、フラックス、持続時間、待ち時間の分布に共通するべき乗則的分布を示しており、自己組織的臨界性システムにおける同様のアバランチダイナミクスに起因する可能性を提案している。この結果は、FRBが磁星の磁気圏内での磁気リコネクションによって駆動されるコherentな電波放射に起因するものであることを支持する。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are bright milliseconds radio transients with large dispersion measures (DMs), and can be used as potential astrophysical and cosmological tools. Many models for FRB progenitors have been proposed. However, none of them can explain all the observational properties, meaning that FRBs remain one of the most intriguing mysteries in astronomy. The statistical properties of radio bursts can unveil the underlying physics. Here, we report statistical results of the repeating FRB 121102, and show that FRB 121102 and solar type III radio bursts share four statistical properties: power-law frequency distributions for energies, fluxes, durations and waiting times. All of the distributions can be explained by avalanche models of self-organized criticality (SOC) systems. It is well known that solar type III radio burst arises from the nonlinear conversion of Langmuir waves generated by two-stream instability of electron beams, which are accelerated by bursty magnetic reconnections. The similarities support that repeating FRBs are coherent emissions from magnetic-reconnection-driven beams in the magnetospheres of magnetars.

研究の動機と目的

• 繰り返し発生するFRB 121102と太陽のタイプIII電波爆発の間の統計的類似性を調査すること。
• 共通する統計的性質が共通の物理的起源を示唆するかどうかを特定すること。
• 観察された分布が自己組織的臨界性（SOC）モデルと整合するかどうかを検証すること。
• これらの類似性がFRB生成メカニズムの理解に与える意味を検討すること。

提案手法

• FRB 121102のバースト特性（エネルギー、フラックス、持続時間、待ち時間）の統計的分析。
• FRB 121102のべき乗則的分布と太陽のタイプIII電波爆発の分布を比較すること。
• 自己組織的臨界性（SOC）理論からのアバランチモデルを、観察されたべき乗則的行動を説明するために適用すること。
• 既知の太陽物理学的メカニズム（途切れ発生型磁気リコネクションによる電子ビーム加速とラングミュール波生成）をFRBモデルの構築に活用すること。
• 太陽現象との統計的類似性に基づいて、磁星の磁気圏内での物理的メカニズムを推論すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 繰り返し発生するFRB 121102と太陽のタイプIII爆発は、エネルギー、フラックス、持続時間、待ち時間において類似した統計的分布を示すか？
• RQ2 FRB 121102で観察されたべき乗則的分布は、自己組織的臨界性（SOC）システムによって説明可能か？
• RQ3 磁気圏内ではどのような物理的メカニズムがこのような統計的類似性を生じさせるのか？
• RQ4 磁気リコネクションとコherentな電波放射との間に、太陽およびFRBの両状況で因果関係があるか？

主な発見

• FRB 121102と太陽のタイプIII電波爆発の両方とも、バーストエネルギー、フラックス、持続時間、待ち時間のべき乗則的分布を示している。
• FRB 121102の統計的分布は、自己組織的臨界性（SOC）システムにおけるアバランチダイナミクスと整合している。
• 統計的行動の類似性は、電子ビームとコherentな電波放射を含む共通の物理的メカニズムを示唆している。
• この研究結果は、繰り返し発生するFRBが、磁星の磁気圏内での磁気リコネクションによって駆動される電子ビームに起因するものであることを支持する。
• 既知の二重流れ不安定性およびラングミュール波の非線形変換によって生じる太陽のタイプIII爆発は、FRB放射過程の物理的アナロジーを提供する。