[論文レビュー] Optical Transients from Fast Radio Bursts Heating Companion Stars in Close Binary Systems

Yuan-Pei Yang|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 82被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、近接連星系における伴星がフレアバースト（FRB）により加熱されることで、再放射により観測可能な光学的瞬時天体が生成され得ると提案する。太陽型の伴星が数日周期の軌道を回る場合、再放射は光学的波長域に現れ、太陽光度の数倍の光度を持ち、持続時間は約100秒、FRBからの遅れは約10秒程度となる。これにより、今後の銀河内FRB源の多波長追跡観測で同種の瞬時天体を検出可能となる可能性がある。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are bright radio transients with short durations and extremely high brightness temperatures, and their physical origins are still unknown. Recently, a repeating source, FRB 20200120E, was found in a globular cluster in the very nearby M81 galaxy. The associated globular cluster has an age of $\sim9.13~{ m Gyr}$, and hosts an old population of stars. In this work, we consider that an FRB source is in a close binary system with a low-mass main sequence star as its companion. Due to the large burst energy of the FRB, when the companion star stops the FRB, its surface would be heated by the radiation-induced shock, and make re-emission. For a binary system with a solar-like companion star and an orbital period of a few days, we find that the re-emission is mainly at optical band, and with delays of a few seconds after the FRB. Its luminosity is several times larger than the solar luminosity, and the duration is about hundreds of seconds. Such a transient might be observable in the future multiwavelength follow-up observation for Galactic FRB sources.

研究の動機と目的

• FRB放射が近接連星系の伴星を加熱し、観測可能な多波長的対応体を生成するかどうかを調査すること。
• 放射圧による衝撃波が引き起こす放射の影響を受ける加熱された星面からの再放射プロセスをモデル化すること。
• 現在および将来の望遠鏡を用いたこのような光学的瞬時天体の検出可能性を推定すること。
• 銀河内FRB系と銀河外FRB系の両方において、これらの瞬時天体を検出する可能性を評価すること。
• 特に、球状星団のような古星環境に存在する繰り返し発生するFRB（例：FRB 180916B）を踏まえた、FRB起源モデルに与える示唆を検討すること。

提案手法

• FRBが伴星に及ぼす放射圧をモデル化する。放射エネルギーはEFRB ≈ 10^39 erg、パルス持続時間は∆tFRB ≈ 1 msと仮定する。
• 軌道幾何と光の伝播時間に基づき、FRB発生と再放射の時間遅れを計算する。tdelay ≈ (a cos i)/c と表され、aはケプラーの第三法則から導出される。
• 星の光球層におけるエネルギーの沈殿と熱化を仮定し、黒体的放射に類似した再放射光度を計算する。
• ローチュ・ローブの幾何学的構造を用いて、伴星が臨界体積を満たしているかどうかを特定し、再放射の効率と持続時間に与える影響を評価する。
• 限界等級（例：mlim = 20–25 mag）と距離スケーリング（mlim = 25 magの場合、d ~ 0.7–71 kpc）に基づき、検出閾値を推定する。
• FRBビームが伴星を打撃する確率を立体角の比較により評価する。p ∼ (∆Ω_companion + ∆Ω_FRB)/4π と表され、∆Ω_companionは星の半径と分離距離から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近接連星系における低質量主系列星の表面がFRB放射によって加熱され、観測可能な光学的再放射が生じるか？
• RQ2 一般的なFRBおよび連星パラメータを想定した場合、そのような光学的瞬時天体の期待される光度、持続時間、時間遅れは何か？
• RQ3 現在の光学的瞬時天体調査では、特に銀河内FRB源に対して、これらの光学的瞬時天体はどの程度検出可能か？
• RQ4 軌道の傾きや系の幾何学的配置に応じて、FRBビームが伴星を打撃する確率はどの程度か？
• RQ5 繰り返し発生するFRB（例：FRB 180916B）の活動が、連星の軌道的モードによって説明可能であるか。また、これにより光学的対応体の検出確率は向上するか？

主な発見

• 1日周期の連星系における太陽型の伴星では、再放射光度は太陽光度の約10倍（L ≈ 10^39 erg s⁻¹）に達する。
• 光学的瞬時天体の持続時間は約100秒であり、FRBからの時間遅れは軌道の傾きや分離距離に依存して約12秒程度となる。
• 3.6 Mpcの距離（例：FRB 20200120E）における瞬時天体の視等級はmAB ≈ 28.5 magに達するが、これは現在の機器では検出不能である。
• 約10 kpcの銀河内FRB源では、瞬時天体の視等級はmAB ≈ 15.8 magに達する。これは、mlim ≈ 20–25 magの光学的瞬時天体調査で検出可能である範囲内にある。
• 光学フレアの検出確率はビームの幾何学的配置に依存する。非ローチュ満たし星ではp ≈ 0.01 R₀,⊙ P⁻⁴/³ day、ローチュ満たし星ではp ≈ 0.07 P²/³ day と表され、より広い軌道ほど高い確率が得られる。
• 放射出力率ξが想定よりも小さい場合（例：FRB 200428ではξ ~ 10⁻⁵）、加熱効果はより強くなる可能性があり、その結果、推定値を上回る明るさの光学的瞬時天体が生成される可能性がある。