[논문 리뷰] Effects of Gravitational Wave Radiation of Eccentric Neutron Star-White Dwarf Binaries on the Periodic Activity of Fast Radio Burst Sources

Yi-Qing Lin, Hao-Yan Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 11.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 39인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중성자별-백색왜성(_NS-WD_) 이진 시스템 모델을 재검토하여 주기적인 패치드 전파파(_FRB_) 소스에 대해 중력파(GW) 복사 효과를 포함한다. 주기적인 활동이 나타나는 조건은 GW에 의해 유도되는 로흐 루프 재채움 시간스케일(TGW)이 궤도 주기(Porb)보다 훨씬 짧고, 폭발 기간(Tfrag)이 Porb보다 짧을 때에만 성립하며, 이는 FRB 180916과 121102처럼 장주기 FRB에서만 주기성이 관측 가능한 이유를 설명한다.

ABSTRACT

We revisit the eccentric neutron star (NS)-white dwarf (WD) binary model for the periodic activity of fast radio burst (FRB) sources, by including the effects of gravitational wave (GW) radiation. In this model, the WD fills its Roche lobe at the periastron and mass transfer occurs from the WD to the NS. The accreted materials can be fragmented and arrive at the NS episodically, resulting in multiple bursts through curvature radiation. Consequently, the WD may be kicked away owing to the conservation of angular momentum. To initiate the next mass transfer, the WD has to refill its Roche lobe through GW radiation. In this scenario, whether the periodic activity can show up relies on three timescales, i.e., the orbital period $P_{ m orb}$, the timescale $T_{ m GW}$ for the Roche lobe to be refilled, and the time span $T_{ m frag}$ for all the episodic events corresponding to each mass transfer process. Only when the two conditions $T_{ m GW} \gtrsim P_{ m orb}$ and $T_{ m frag} < P_{ m orb}$ are both satisfied, the periodic activity will manifest itself and the period should be equal to $P_{ m orb}$. In this spirit, the periodic activity is more likely to show up for relatively long periods ($P_{ m orb} \gtrsim$ several days). Thus, it is reasonable that FRBs 180916 and 121102, the only two sources having been claimed to manifest periodic activity, both correspond to relatively long periods.

연구 동기 및 목표

• 다수의 반복적인 FRB가 존재하는 데도 불구하고 FRB 180916과 121102만 주기적인 활동을 보이는 이유를 설명하기 위해.
• 중력파(GW) 복사 효과가 이심도가 큰 NS-WD 이진계에서 주기적인 질량 이동을 가능하게 하는 역할을 연구하기 위해.
• 관측된 활동 주기(16.35일 및 157일)와 접촉 이진계의 일반적인 궤도 주기(수십 분) 사이의 괴리 현상을 해결하기 위해.
• 주기적인 FRB 활동이 관측 가능한 조건, 특히 시간스케일 간의 상호작용을 규명하기 위해.
• 외류와 운동량 손실이 모델의 타당성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 이심도가 있는 궤도를 가진 NS-WD 이진계를 모델링하며, 백색왜성이 로흐 루프를 가득 채우는 페리아스트론에서만 질량 이동이 발생하도록 설정한다.
• 중력파(GW) 복사를 포함하여 질량 이동 후 로흐 루프 재채움에 소요되는 시간스케일 TGW 를 계산한다.
• 식 TGW ∝ (1 - e²)^(3/2) / (M1 + M2) × (M2 / (M1 + M2))^(2/3) × (1 / (M1 M2)) 를 사용하여 TGW 를 계산하며, ∆M2 는 자유 매개변수로 간주한다.
• Tfrag 는 질량 이동 주기당 폭발 기간의 지속 시간으로, 자유 매개변수로 간주한다.
• 세 가지 핵심 시간스케일인 Porb (궤도 주기), TGW (로흐 루프 재채움 시간), Tfrag (폭발 기간 지속 시간) 를 비교한다.
• 주기성이 관측 가능한 조건은 TGW ≲ Porb 이고 Tfrag < Porb 라는 조건을 충족할 때만 성립하며, 이 경우 주기성은 Porb 와 동일하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 다수의 반복적인 FRB가 존재하는 데도 불구하고 FRB 180916과 121102만 주기적인 활동을 보이는가?
• RQ2 왜 관측된 주기(16.35일 및 157일)가 접촉 이진계의 일반적인 궤도 주기(수십 분)보다 훨씬 긴가?
• RQ3 중력파 복사 효과가 주기적인 FRB 활동의 재발을 가능하게 하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 TGW 와 Tfrag 의 시간스케일이 주기적인 FRB 활동의 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 외류와 운동량 손실이 모델의 타당성에 미치는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 주기적인 FRB 활동은 TGW ≲ Porb 와 Tfrag < Porb 가 동시에 만족될 때에만 관측 가능하며, 이는 활동 창이 좁고 반복됨을 보장한다.
• 모델은 장주기 궤도(Porb ≳ 수일)를 가진 시스템일수록 주기적 활동이 나타날 가능성이 더 크다고 예측하며, 이는 FRB 180916과 121102의 장주기 원인을 설명한다.
• FRB 180916의 경우 Tfrag 는 약 5일이 되며, FRB 121102의 경우 약 100일로 관측된 활동 창과 일치한다.
• FRB 180916의 일부 예측된 활동 창에서의 비활동은 TGW 가 Porb 와 유사하거나 더 길어 재채움이 완전하지 않기 때문에 발생한다.
• Tfrag ≳ Porb 일 경우 주기성이 가려지며, 이는 많은 반복적인 FRB가 주기성을 보이지 않는 이유를 설명할 수 있다.
• 운동량을 반출하는 외류는 TGW 를 감소시켜 주기성을 더 가능하게 하며, 이는 모델의 타당성을 높인다.