[論文レビュー] A Highly Variable Magnetized Environment in a Pulsar Binary resembling Fast Radio Bursts

Dongzi Li, A. V. Bilous+3 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、パulsar連星PSR B1744−24Aにおいて、急速で不規則なファラデー回転測定値（RM）の変動および円偏光の符号反転を特定し、非常に変動が激しい磁化環境におけるファラデー変換と円偏光の減衰の明確な証拠を示した。これらの結果は、高速電波バースト（FRB）繰り返し源で観測される行動と類似しており、連星の伴星が一部のFRBの起源である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are short, intense extragalactic radio bursts of unknown origin. Recent polarimetric studies have shown that a noticeable fraction of the repeating FRBs display irregular, short-time variations of the Faraday rotation measure (RM). Moreover, evidence for rare propagation effects such as Faraday conversion and polarized attenuation is seen in at least one FRB repeater. Together, they suggest a highly variable magneto-active circum-burst environment. In this paper, we report similar behavior in a globular cluster pulsar binary system PSR B1744-24A. We observe irregular fast changes of RM with both signs at random orbital phases as well as profile changes of the circular polarization when the pulsar emission passes close to the companion. The latter provides strong evidence for Faraday conversion and circularly polarized attenuation. These similarities between PSR B1744-24A and some FRB repeaters, as well as the possible binary-produced long-term periodicity of two active repeaters, and the discovery of a nearby FRB in a globular cluster, where pulsar binaries are common, all suggest that some fraction of FRBs have binary companions.

研究の動機と目的

• 高速電波バースト（FRB）繰り返し源で観測される複雑な伝搬効果に類似した、非常に変動が激しい磁化環境がパulsar連星に存在するかどうかを調査すること。
• PSR B1744−24Aで観測された偏光発光の変動が、ファラデー変換および円偏光の減衰によって説明可能かどうかを特定すること。
• パulsar系における連星の伴星がFRBに類似した伝搬効果を生じさせることができることを検証し、一部のFRBの起源を説明できる可能性を検討すること。
• 上弦の位置に近い安定した電波放射を基準として用いることで、固有の偏光と伝搬効果を分離すること。

提案手法

• グリーン・バンク望遠鏡を用いた1.5 GHzおよび2 GHzでの多周波数・高頻度観測データを分析し、ファラデー回転測定値（RM）および円偏光（V）の急激な変化を検出する。
• 分散測定値（DM）の変化が無視できるものと仮定して、同伴星の風中の平行磁場の下限を推定するため、RM-DM分解法を用いる。
• ファラデー変換パラメータ ξ ∝ f⁻⁴ および B ∝ f⁻⁴/³ を用いて、磁場強度を制約するため、同伴星の磁気圏内を通過する電波の伝搬をポリョイダル磁場構造でモデル化する。
• 上弦の位置付近での観測Vプロファイルを、ファラデー変換および円偏光吸収を想定した合成プロファイルと比較し、通常のIおよびVプロファイルを基準とする。
• 二色性モデルを適用して、サイクロトロン周波数シフトに起因する周波数依存のレンズ効果のオフセットを予測し、f_c ∝ B とする。
• 磁気圏の幾何構造に基づき、視線方向のパスが変化するに従い、ファラデー変換が完全から無視できる程度に変化する遷移周波数 f_T を、軌道位相依存でシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パulsar連星における急速で不規則なRM変動は、FRB繰り返し源から推定される変動が激しい磁化環境を模倣できるか？
• RQ2 PSR B1744−24Aの上弦の位置付近で観測された円偏光（V）の符号反転を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 ファラデー変換および円偏光吸収は、観測されたVプロファイルの歪みをどの程度まで説明できるか？
• RQ4 パulsarの同伴星の磁気圏内で観測された伝搬効果を再現するには、どの程度の磁場強度と幾何構造が必要か？
• RQ5 ファラデー変換の遷移周波数 f_T は軌道位相にどのように依存するか？また、磁気圏の幾何構造から予測可能か？

主な発見

• ランダムな軌道位相で、最大50%の急速で不規則なRM変動が観測されたが、それに伴うDMの変化は認められず、同伴星の風中の平行磁場の下限が12 mG以上であると示唆された。
• 軌道位相1.9でRMが50%増加、位相1.8で50%減少する急激な変動が検出され、局所的で非常に動的な磁化プラズマ構造の存在を示した。
• 上弦の位置付近で、円偏光（V）プロファイルに符号反転が観測され、Vが通常から逆転し、再び元に戻る現象が確認され、ファラデー変換の明確な証拠となった。
• 観測されたVプロファイルの反転は、平行磁場 B_z の逆転に伴う断熱的モード追従によって最もよく説明され、ポリョイダル磁気圏磁場幾何構造と整合的であった。
• ファラデー変換を引き起こすに必要な磁場強度は B > 10 G と推定され、シンクロtron・サイクロトロン吸収からの一貫した下限から B ~ 100 G と推定された。
• 完全なファラデー変換から無視できる程度への遷移周波数 f_T は、位相0.35で2 GHzから上弦に近づくにつれて低下し、2 GHzから20 GHzの間で急激な遷移が予想された。