[論文レビュー] Similar Scale-invariant Behaviors between Soft Gamma-ray Repeaters and An Extreme Epoch from FRB 121102

Jun-Jie Wei, Xue-Feng Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 91被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、軟ガンマ線パルサー（SGRs）および繰り返し発生する電波フレア爆発FRB 121102におけるスケール不変性統計的挙動を、q-ガウス分布を用いて崩壊エネルギーやフラックス、継続時間の差をモデル化することで示している。両者とも時間スケールにわたって一貫したq値（約2.2–2.3）を示しており、3次元空間フレームワーク内でのフラクタル拡散的自己組織的臨界性（SOC）ダイナミクスによって支配される共通の自己組織的臨界性プロセスであることを示唆している。

ABSTRACT

The recent discovery of a Galactic fast radio burst (FRB) associated with a hard X-ray burst from the soft gamma-ray repeater (SGR) J1935+2154 has established the magnetar origin of at least some FRBs. In this work, we study the statistical properties of soft gamma-/hard X-ray bursts from SGRs 1806--20 and J1935+2154 and of radio bursts from the repeating FRB 121102. For SGRs, we show that the probability density functions for the differences of fluences, fluxes, and durations at different times have fat tails with a $q$-Gaussian form. The $q$ values in the $q$-Gaussian distributions are approximately steady and independent of the temporal interval scale adopted, implying a scale-invariant structure of SGRs. These features indicate that SGR bursts may be governed by a self-organizing criticality (SOC) process, confirming previous findings. Very recently, 1652 independent bursts from FRB 121102 have been detected by the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST). Here we also investigate the scale-invariant structure of FRB 121102 based on the latest observations of FAST, and show that FRB 121102 and SGRs share similar statistical properties. Given the bimodal energy distribution of FRB 121102 bursts, we separately explore the scale-invariant behaviors of low- and high-energy bursts of FRB 121102. We find that the $q$ values of low- and high-energy bursts are different, which further strengthens the evidence of the bimodality of the energy distribution. Scale invariance in both the high-energy component of FRB 121102 and SGRs can be well explained within the same physical framework of fractal-diffusive SOC systems.

研究の動機と目的

• SGR J1550–5418以外のSGRsが、バースト特性においてスケール不変性を示す統計的挙動を示すかどうかを調査すること。
• SGRsと繰り返し発生するFRB 121102との間の統計的類似性、特にバーストエネルギー、フラックス、継続時間の差において検討すること。
• FRB 121102の二重ピークエネルギー分布が、低エネルギーおよび高エネルギー成分において異なるスケール不変性を示すかどうかを特定すること。
• 観測されたバースト差のq-ガウス分布が、フラクタル拡散的自己組織的臨界性（SOC）の統一的物理モデルによって説明可能かどうかを検証すること。

提案手法

• RXTEのアーカイブデータを用いて、SGR 1806–20の924バーストおよびSGR J1935+2154の1,500バースト以上を分析し、複数の時間インターバルにわたる放射線量、フラックス、継続時間の差を計算する。
• これらの差の確率密度関数（PDF）をq-ガウス分布にフィットさせ、qパラメータを用いてスケール不変性を定量化する。
• FASTで検出されたFRB 121102の1,652バーストを同様に分析し、エネルギー分布に基づいて低エネルギーおよび高エネルギー成分に分離する。
• 異なる時間スケールにおけるq値の一定性を比較することで、スケール不変性の特徴を評価する。
• 空間次元S = 3およびS = 2における理論的予測と照合することで、フラクタル拡散的SOCモデルとの整合性を検証する。
• q-ガウス形式を用いてバースト差の重い尾部分布をモデル化し、qをSOC挙動の重要な指標とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SGR 1806–20およびSGR J1935+2154は、SGR J1550–5418と同様に、バースト放射線量、フラックス、継続時間の差においてスケール不変性を示す統計的挙動を示すか？
• RQ2 繰り返し発生するFRB 121102のバースト差は、q-ガウス分布を示し、SGRsと整合的か？
• RQ3 FRB 121102の低エネルギーおよび高エネルギー成分は、異なるq-ガウスパラメータを示すか？これは異なる物理的メカニズムを示唆するか？
• RQ4 SGRsおよびFRB 121102における観測されたq値は、空間次元S = 3の統一的フラクタル拡散的SOCモデルで説明可能か？

主な発見

• SGR 1806–20およびSGR J1935+2154における放射線量、フラックス、継続時間の差の確率密度関数（PDF）は、異なる時間スケールにわたってq値がほぼ一定であるq-ガウス分布に従い、スケール不変性が確認された。
• SGR 1806–20（qE ≈ 2.12–2.90、qP ≈ 2.10–2.70、qT ≈ 1.83–2.53）およびSGR J1935+2154（qE ≈ 2.12–2.90、qP ≈ 2.10–2.70、qT ≈ 1.83–2.53）のq値は、3次元空間におけるフラクタル拡散的SOCモデルの予測と整合的である。
• FRB 121102の高エネルギー成分は、q値（qE = 2.21 ± 0.10、qP = 2.34 ± 0.09、qT = 1.50 ± 0.16）がS = 3におけるフラクタル拡散的SOCモデルの予測と整合的であり、特にエネルギーおよびフラックスにおいて顕著である。
• FRB 121102の低エネルギー成分は、平均で約2.0のq値を示し、地震と類似した値であるため、類似した物理的ダイナミクスを示唆している。
• FRB 121102の高エネルギー成分とSGRsは、ほぼ同一のq値（qE ≈ 2.2–2.3）を示しており、同じSOCメカニズムによって支配される共通の物理的起源を示唆している。
• SGRsおよびFRB 121102の高エネルギーバーストにおける観測されたq-ガウス挙動は、空間次元S = 3のフラクタル拡散的SOCシステムによる統一的説明を支持する。