[논문 리뷰] Recurrent fast radio bursts from collisions of neutron stars in the evolved stellar clusters

V. I. Dokuchaev, Yu N Eroshenko|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 10.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 은하핵의 조밀하고 진화한 성간 별 집단에서 중성자별 간의 반복적인 가까운 접근과 충돌이 발생함으로써, FRB 121102와 같은 반복적인 패쇄 전파 폭발(FRB)이 발생한다고 제안한다. 이 모델은 고도로 타원적인 중성자별 쌍성의 반복적인 근점 통과와 최종 융합을 통해 여러 번의 폭발을 설명하며, LIGO/Virgo 또는 차세대 탐지기로 감지 가능한 중력파 방출도 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 반복적인 FRB의 물리적 기원, 특히 FRB 121102에서 관측된 다수의 폭발을 설명한다.
• 일반적으로 반복되지 않는 단일 충돌 사건의 과제를 다루며, 반복성의 메커니즘을 제안한다.
• 진화한 은하핵 내 조밀한 중성자별 집단이 반복적인 충돌과 FRB 생성을 유지할 수 있음을 보여준다.
• 중력파 융합 사건에서의 관측 가능 서명과 연결한다.
• 고도로 타원적인 궤도를 가진 중성자별 쌍성이 최종 융합 이전에 다수의 FRB를 생성할 수 있는 천체역학적 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 은하핵 내 별과 리아소닉 과정에 의해 유도되는 질량 분리와 천체역학적 진화를 통해 조밀한 중성자별 집단 형성 모델링.
• 두 개체 간의 리아소닉 시간스케일 공식 $ t_r acksimeq rac{v^3}{4 au G^2 m^2 n heta} $ 를 사용하여 집단 진화 시간스케일 추정, 여기서 $ heta = ext{ln}(0.4N) $.
• 집단 내 중력적 상호작용을 통해 고도로 타원적인 중성자별 쌍성을 형성하고, 반복적인 근점 통과를 유도하는 시뮬레이션.
• 근점 통과 기간 동안 자기장 구조의 재결합과 상호작용으로 인한 FRB 방출 모델링, 그리고 최종 융합 사건 동안의 방출.
• 최종 융합 단계에서의 중력파 방출 예측, LIGO/Virgo 또는 차세대 탐지기로 감지 가능.
• 충돌당 에너지 방출량 $ ext{10}^{51} - ext{10}^{52} $ erg 를 고려하며, 이는 감마선 폭발 또는 고에너지 뉴트리노 원천과 관련될 수 있음.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조밀한 성간 별 집단 내 반복적인 중성자별 충돌이 FRB 121102와 같은 관측된 반복성의 원인일 수 있는가?
• RQ2 진화한 은하핵 내 어떤 천체역학적 메커니즘이 한 원천으로부터 다수의 FRB 사건을 가능하게 하는가?
• RQ3 중성자별이 가까운 근점 통과 시 자기장 상호작용이 어떻게 다수의 FRB를 생성하는가?
• RQ4 이론적 모델을 단일 사건 FRB 모델과 구별할 수 있는 관측 가능 서명, 예를 들어 중력파 폭발은 무엇인가?
• RQ5 중성자별 충돌에서의 에너지 방출과 방출 패tern이 감마선 폭발의 부재를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 진화한 은하핵 집단 내 조밀한 중성자별 집단에서, 최종 융합 이전의 반복적인 근점 통과로 인해 다수의 FRB가 발생할 수 있다.
• 집단 내 형성된 고도로 타원적인 쌍성은 수 분 동안 여러 번의 FRB 사건을 유도하며, 각 근점 통과 시 마다 펄스가 발생한다.
• 최종 융합 사건은 강력한 FRB와 함께 감지 가능한 중력파 폭발을 유도한다.
• 근점 통과 기간의 FRB는 약한 신호이며 강력한 중력파 신호와 관련되지 않는다.
• 중앙 초대질량 또는 별질량 블랙홀에 의한 중력 렌즈 효과와 함께 상대론적 화염구로 인해 고에너지 뉴트리노도 생성될 수 있다.
• LIGO/Virgo 또는 차세대 탐지기를 통한 중력파 탐지가 이 모델의 핵심 관측적 검증 수단이 될 수 있다.