[논문 리뷰] FRB 181112 as a Rapidly-Rotating Massive Neutron Star just after a Binary Neutron Star Merger?: Implications for Future Constraints on Neutron Star Equations of State

Shotaro Yamasaki, Tomonori Totani외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 15.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

논문은 FRB 181112의 네 개의 서브파uls에서 관측된 0.8 ms 주기성을 바탕으로, 이 신호가 이진 중성자별(BNS) 병합 직후에 형성된 고속으로 회전하는 질량이 큰 중성자별에서 기인할 수 있다고 제안한다. 이 해석은 FRB의 서미초단주기적 특성과 병합 후의 자전 운동을 연결하며, 만약 확인된다면 이러한 FRB-GW 동시 탐지 자료는 중성자별 상태방정식과 조석 변형성 파am터에 대한 고유한 제약 조건을 제공할 것이다.

ABSTRACT

The light curve of the fast radio burst (FRB) 181112 is resolved into four successive pulses, and the time interval ($\sim0.8$ ms) between the first and third pulses coincides with that between the second and fourth pulses, which can be interpreted as a neutron star (NS) spinning at a period of about $0.8$ ms. Although this period is shorter than the most rapidly rotating pulsar currently known ($1.4$ ms), it is typical for a simulated massive NS formed immediately after the coalescence of binary neutron stars (BNS). Therefore, a BNS merger is a good candidate for the origin of this FRB if the periodicity is real. We discuss the future implications that can be obtained if such a periodicity is detected from FRBs simultaneously with gravitational waves (GW). The remnant spin period $P_{ m rem}$ inferred from the FRB observation is unique information which is not readily obtained by current GW observations at the post-merger phase. If combined with the mass of the merger remnant $M_{ m rem}$ inferred from GW data, it would set a new constraint on the equation of state of nuclear matter. Furthermore, the post-merger quantity $P_{ m rem}/M_{ m rem}$, or the tidal deformability of the merger remnant, is closely related to the binary tidal deformability parameter $Λ$ of NSs before they merge, and a joint FRB-GW observation will establish a new limit on $Λ$. Thus, if $Λ$ is also well measured by GW data, a comparison between these two will provide further insights into the nature of nuclear matter and BNS mergers.

연구 동기 및 목표

• FRB 181112의 네 개 펄스에서 관측된 서미초단주기적 특성이 이중 중성자별(BNS) 병합 후 고속으로 회전하는 중성자별 잔여물에서 기인하는지 조사하기.
• 현재 중력파(GW) 탐지기가 직접 측정할 수 없는, 병합 후 중성자별의 자전 주기를 FRB 타이밍을 통해 추론할 수 있는지 가능성 평가하기.
• FRB와 GW의 동시 관측이 중성자별 상태방정식과 이중 병합 조석 변형성 파am터 $\tilde{\Lambda}$를 어떻게 제약 조건화할 수 있는지 탐색하기.

제안 방법

• FRB 181112의 고시간 해상도 데이터(3 ns 해상도)를 분석하여 연속적인 서브파울스 간의 0.8 ms 주기성을 확인하기.
• 병합 과정 중 자기장 역학 또는 자기권 상호작용에 의해 조절되는, BNS 병합에서 형성된 자전하는 중성자별 잔여물에서 기인하는 FRB로 모델링하기.
• 수치 상대성 이론 시뮬레이션을 사용하여 잔여물의 최대 각속도 $\Omega_{\rm max}$를 추출하고, 최소 자전 주기 $P_{\rm rem} = 2\pi / \Omega_{\rm max}$를 추론하기.
• $\Omega_{\rm max}$와 병합 후 중력파 스펙트럼의 피크 $\Omega_{\rm GW,peak}$를 비교하여 자전 주기 추정치의 게이지 불변성 검증하기.
• 향후 BNS 병합에서 발생하는 중력파와 FRB를 동시에 탐지할 경우 $P_{\rm rem}$과 $M_{\rm rem}$을 공동 측정할 수 있으며, 이는 핵물질 상태방정식에 대한 새로운 제약 조건을 가능하게 한다고 제안하기.
• 잔여물의 자전 주기 $P_{\rm rem}$과 이중 병합 조석 변형성 파am터 $\tilde{\Lambda}$의 비율을 연결하여, 중성자별의 구조를 새로운 관측적 방법으로 탐색할 수 있음을 제시하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FRB 181112의 서브파울스 간 0.8 ms 주기성이 약 0.8 ms 주기로 자전하는 중성자별의 증거로 해석될 수 있는가?
• RQ2 관측된 서미초단주기적 펄스 구조를 고려할 때, 이중 중성자별 병합에서 발생한 병합 후 중성자별 잔여물이 FRB 181112의 기원으로 타당한가?
• RQ3 향후 중력파와 빠른 전파 폭발(FRB)의 동시 탐지가 중성자별 상태방정식을 어떻게 제약 조건화할 수 있는가?
• RQ4 잔여물의 자전 주기 $P_{\rm rem}$과 이중 병합 조석 변형성 파am터 $\tilde{\Lambda}$ 사이의 관계는 무엇이며, 어떻게 관측적으로 탐색할 수 있는가?
• RQ5 수치 상대성 이론 시뮬레이션에서 유도된 자전 주기 $P_{\rm rem}$이 게이지 의존성에 얼마나 강인한가?

주요 결과

• 첫 번째와 세 번째 펄스 간의 시간 간격(0.808 ± 0.004 ms)과 두 번째와 네 번째 펄스 간의 간격(0.724 ± 0.006 ms)이 0.8 ms 자전 주기와 일치하여, 고속으로 자전하는 중성자별 잔여물의 존재를 시사한다.
• 약 0.8 ms로 추정된 자전 주기는 BNS 병합 직후에 형성된 질량이 큰 중성자별의 시뮬레이션 결과와 일치하여, FRB 181112의 기원이 BNS 병합임을 지지한다.
• FRB 타이밍을 통해 추론된 자전 주기 $P_{\rm rem}$은 현재 중력파 관측만으로는 확보할 수 없는 고유한 정보를 제공한다.
• 최대 각속도 $2\Omega_{\rm max}$와 중력파 스펙트럼 피크 $\Omega_{\rm GW,peak}$ 사이의 강한 선형 상관관계(기울기 = 0.98 ± 0.07)는 $P_{\rm rem}$이 잔여물의 최소 자전 주기에 대한 강인하고 게이지 불변인 대체 측정법임을 확인한다.
• FRB와 GW의 동시 관측을 통해 $P_{\rm rem}/M_{\rm rem}$을 직접 측정할 수 있으며, 이는 중성자별 상태방정식과 조석 변형성 파am터 $\tilde{\Lambda}$에 대한 새로운 제약 조건을 가능하게 한다.
• 향후 중력파와 동시 발생하는 서미초단주기적 이중 피크 또는 다중 펄스 FRB를 관측할 경우, 특히 이러한 신호들이 유사한 특성을 보일 경우, 중성자별 물리학과 BNS 병합 역학에 대한 새로운 통찰을 제공할 수 있다.