[논문 리뷰] Axion Stars and Repeating Fast Radio Bursts with Finite Bandwidths

Aiichi Iwazaki|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 16.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 반복적인 패거리 라디오 파동(FRBs), 예를 들어 FRB 121102와 같은 것들이 초기 단계의 은하에서 블랙홀 주위의 자기장이 강한 원형 흡착 디스크와 충돌하는 악시온 성운에서 기인한다고 제안한다. 강한 자기장(~10¹¹ G)에서 악시온에 의해 유도된 전기장에 의해 유도된 일관된 전자 진동이 단색 복사를 생성하며, 관측된 가우시안 스펙트럼은 열 도플러 효과로 인해 넓어지게 된다. 이는 파동의 좁은 대역폭과 변동하는 중심 주파수를 자연스럽게 설명한다.

ABSTRACT

We have proposed a model of non repeating fast radio bursts ( FRBs ); the collisions between axion stars and neutron stars generate the bursts. In this paper, we propose a model of repeating FRBs which shows that they arise from the several collisions between magnetized accretion disk of a black hole and an axion star orbiting the black hole. There would be many axions stars condensing as dark matter in an early stage galaxy so that such collisions arises repeatedly. The radiations are emitted by coherent oscillations of electrons in the accretion disk. The oscillations are caused by oscillating electric fields, which are induced by axion stars under strong magnetic field $\sim O(10^{11})$G. The emissions are terminated by the thermal fluctuations of the electrons which result from the thermalization of the oscillation energies. Although the radiations are monochromatic, the thermal Doppler effects broaden the spectral lines; their spectra $S(ν)$ are given by $S(ν) \propto \exp(-(ν-ν_c)^2/2(δν)^2)$ with the center frequency $ν_c$. The bandwidth $δν=ν_c\sqrt{T_c/m_e}$ with electron mass $m_e$ is determined by the critical temperature $T_c$ at which the thermal fluctuations terminate the coherent emissions. The observed bandwidths $(3\sim5) imes10^2$MHz are originated from the strong magnetic fields $\sim O(10^{11})$G. With such strong magnetic fields, large amount of the burst energies are produced. Various center frequencies $ν_c$ of the bursts in the repeating FRB 121102 come from the various rotation speeds in the disk which make an intrinsic frequency of the bursts being Doppler shifted. The recent observation showing an extreme magneto-ionic environment around the source of FRB 121102 supports our model.

연구 동기 및 목표

• 재발성 FRB 121102의 원인을 기존의 파국적 모델로는 설명할 수 없기에 이를 설명하기 위함.
• 반복적인 FRB에서 관측된 좁은 대역폭(~200–500 MHz)을 가진 가우시안 스펙트럼 프로파일을 설명하기 위함.
• 다양한 디스크 회전 속도로 인한 도플러 이동을 통해 관측된 주파수 변동성을 연결하기 위함.
• 강한 자기장(~10¹¹ G)과 악시온-광자 전환을 통해 FRB의 높은 에너지 출력을 설명하기 위함.
• 내재된 단색 복사가 열 운동에 의해 넓어지면서 발생하는 스펙트럼의 변동성(양의/음의 스펙트럼 기울기)을 설명하기 위한 메커니즘 제공.

제안 방법

• 블랙홀 주위의 기하학적으로 얇고 강한 자기장을 띤 흡착 디스크와 궤도를 도는 악시온 성운 간의 충돌을 모델링함.
• 악시온 성운이 약 10¹¹ G의 자기장 내에서 진동하는 전기장에 의해 전자기 복사로 전환된다고 가정함.
• 디스크 내 전자 기체가 악시온에 의해 유도된 필드에 의해 일관된 조화 진동을 하며, 주파수 ν_int = m_a/(2π)에서 듀얼극 복사를 방출함.
• 열 전자 변동에 의한 도플러 브로드닝을 적용하여 관측된 스펙트럼 형상 S(ν) ∝ exp[−(ν−ν_c)² / 2(δν)²] 유도함.
• 대역폭 δν = ν_c √(T_c / m_e) 유도함. 여기서 T_c는 진동 에너지의 열화 조건이 되는 임계 온도임.
• 관측 주파수 ν_ob ∝ ν_int / (1+z) × √(1−v²)/(1+v cosθ)에 대한 천체역학적, 중력적, 도플러 레드시프트를 고려함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복적인 FRB 121102의 원인을 기존의 파국적 천체물리 모델이 아닌 비파국적 천체물리 메커니즘으로 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ2 왜 파동은 파wer-법 프로파일이 아니라 가우시안 형상의 스펙트럼을 보이며 좁은 대역폭을 갖는가?
• RQ3 FRB 121102에서 관측된 주파수 변동성(1.2–3.5 GHz)을 일으키는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 강한 일관성 복사 모델 내에서 FRB의 높은 에너지 출력(~10⁴⁰ erg/s)은 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ5 FRB 121102에서 관측된 스펙트럼의 변동성(α > 0 및 α < 0)의 기원은 무엇인가?

주요 결과

• FRB 121102에서 관측된 (3–5)×10² MHz의 대역폭은 일관된 전자 진동의 열 도플러 브로드닝에 의해 설명되며, δν ∝ ν_c √(T_c / m_e) 관계를 따른다.
• 중심 주파수 ν_c ≈ 1.2–1.4 GHz는 악시온 질량 m_a ≈ 2π × (1.2–1.4) GHz ≈ 7.5–8.8 meV와 일치한다.
• 모델은 비재발성 FRB도 관측된 가우시안 스펙트럼 S(ν) ∝ exp[−(ν−ν_c)² / 2(δν)²]를 보일 것으로 예측하며, 여기서 ν_c = m_a / [2π(1+z)]이다.
• FRB 121102에서 관측된 주파수 분포의 원인은 디스크의 다양한 회전 속도로 인한 도플러 이동이며, 내재된 스펙트럼 변동성 때문이 아니다.
• 강한 자기장(~10¹¹ G) 덕분에 악시온-광자 전환과 일관성 복사가 증폭되어 FRB의 높은 에너지 출력을 설명할 수 있다.
• 최근 FRB 121102의 소스 주변에서 강한 자기장 환경이 관측된 것은, 복사 영역 내에서 강한 자기장이 존재한다는 모델의 예측을 뒷받침한다.