[论文解读] Hyperflares of SGRs as an engine for millisecond extragalactic radio bursts

С. Б. Попов, К. А. Постнов|ArXiv.org|Oct 10, 2007

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 36

一句话总结

本文提出，毫秒量级的河外无线电爆 burst（mERBs），如Lorimer等人（2007年）发现的那一个，其能量来源为河外软伽马射线重复暴（SGRs）的超耀发。该机制涉及磁星磁层中的撕裂模不稳定性引发射电辐射，预测的超耀发率（~20–100 d⁻¹ Gpc⁻³）与观测到的mERB率相符，支持SGR超耀发作为mERBs可行起源的假设。

ABSTRACT

We propose that the strong millisecond extragalactic radio burst (mERB) discovered by Lorimer et al. (2007) may be related to a hyperflare from an extragalactic soft gamma-ray repeater. The expected rate of such hyperflares, $\sim$ 20 - 100 d$^{-1}$ Gpc$^{-3}$, is in good correspondence with the value estimated by Lorimer et al. The possible mechanism of radio emission can be related to the tearing mode instability in the magnetar magnetosphere as discussed by Lyutikov (2002), and can produce the radio flux corresponding to the observed $\sim$ 30 Jy from the mERB using a simple scaling of the burst energy.

研究动机与目标

• 解释Lorimer等人（2007年）探测到的神秘毫秒量级河外无线电爆（mERB）的起源，该现象表现出高亮度温度且在其他波段无可观测对应体。
• 研究观测到的mERB率（~90 d⁻¹ Gpc⁻³）是否可由诸如软伽马射线重复暴（SGRs）超耀发等天体物理暂现源解释。
• 评估SGR超耀发中射电辐射的物理可行性，特别是通过磁层不稳定性（如撕裂模）产生观测到的射电流量的机制。
• 结合距离限制与束流效应，调和非探测到宿主星系和伽马射线对应体与所提出的SGR超耀发起源之间的矛盾。

提出的方法

• 基于邻近星系和室女座星系团的观测约束，估算每颗类似银河系的星系每年约0.001–0.003次的SGR超耀发预期发生率。
• 将推断的mERB率（~90 d⁻¹ Gpc⁻³）与预测的SGR超耀发率进行比较，在保守假设下发现两者高度一致（~20–100 d⁻¹ Gpc⁻³）。
• 应用Lyutikov（2002年）的射电辐射模型，该模型将射电爆与磁星磁层中的撕裂模不稳定性关联，用于将已知SGR耀发的能量输出外推至mERB观测。
• 基于自转能量损失（Ė_rot ∝ μ²P⁻⁴）的标度律，估算具有毫秒周期和增强磁场的磁星可释放约10⁴⁰ erg的射电能量，满足观测需求。
• 评估在大距离（如~600 Mpc）下超耀发的可探测性，表明即使像2004年12月27日SGR 1806–20的明亮爆发，在当前仪器下超过~70 Mpc后也无法在伽马射线波段探测到。
• 评估通过高恒星形成率的星系射电监测探测mERBs的可行性，建议此类区域比盲搜更有可能成为有效探测目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的mERB率（~90 d⁻¹ Gpc⁻³）能否由河外软伽马射线重复暴的超耀发解释？
• RQ2 SGR超耀发中的射电辐射机制（如磁层中的撕裂模不稳定性）是否足以产生约5毫秒内观测到的~30 Jy流量？
• RQ3 尽管能量输出极高，为何在mERB事件期间未探测到伽马射线或X射线对应体？
• RQ4 在18等B星等以内未探测到宿主星系，是否与该源起源于遥远、暗淡或富含尘埃的恒星形成星系（内含SGR）相容？
• RQ5 鉴于此类事件极为稀少，应采取何种观测策略以最佳方式检验mERBs与SGR超耀发相关联的假设？

主要发现

• 预测的SGR超耀发率（~20–100 d⁻¹ Gpc⁻³）与观测到的mERB率（~90 d⁻¹ Gpc⁻³）高度一致，支持二者之间存在因果关联。
• Lyutikov（2002年）提出的磁星磁层中撕裂模不稳定性导致的射电辐射机制，可自然解释来自约600 Mpc距离的约30 Jy流量。
• mERB期间未探测到可辨识的伽马射线对应体，与源距离过远（如~600 Mpc）导致BATSE或SWIFT等仪器无法探测到超耀发的结论一致。
• 在18等B星等以内未探测到宿主星系，并不否定其遥远起源，因为宿主星系可能为暗淡、富含尘埃或不规则的恒星形成星系，且具有更高的本征 dispersion measure。
• 该模型预测，每年仅能从恒星形成率比银河系高两个数量级的星系中探测到少数几次河外巨大耀发，因此针对性搜索比盲搜更高效。
• RRAT耀发期间未观测到X射线或伽马射线爆，表明其辐射机制与SGR超耀发所提出的机制不同，进一步支持RRAT与mERB源之间的本质区别。