[论文解读] Similar Scale-invariant Behaviors between Soft Gamma-ray Repeaters and An Extreme Epoch from FRB 121102

Jun-Jie Wei, Xue-Feng Wu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 91被引用 26

一句话总结

该论文通过q-高斯分布对软伽马射电暴源（SGRs）和重复快速射电暴FRB 121102的爆发能量、通量和持续时间差异进行建模，展示了其尺度不变的统计行为。研究发现，SGRs和FRB 121102的高能成分在不同时间尺度下均表现出一致的q值（约2.2–2.3），表明其受三维空间框架中分形扩散自组织临界性动力学所支配的共同自组织临界性过程。

ABSTRACT

The recent discovery of a Galactic fast radio burst (FRB) associated with a hard X-ray burst from the soft gamma-ray repeater (SGR) J1935+2154 has established the magnetar origin of at least some FRBs. In this work, we study the statistical properties of soft gamma-/hard X-ray bursts from SGRs 1806--20 and J1935+2154 and of radio bursts from the repeating FRB 121102. For SGRs, we show that the probability density functions for the differences of fluences, fluxes, and durations at different times have fat tails with a $q$-Gaussian form. The $q$ values in the $q$-Gaussian distributions are approximately steady and independent of the temporal interval scale adopted, implying a scale-invariant structure of SGRs. These features indicate that SGR bursts may be governed by a self-organizing criticality (SOC) process, confirming previous findings. Very recently, 1652 independent bursts from FRB 121102 have been detected by the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST). Here we also investigate the scale-invariant structure of FRB 121102 based on the latest observations of FAST, and show that FRB 121102 and SGRs share similar statistical properties. Given the bimodal energy distribution of FRB 121102 bursts, we separately explore the scale-invariant behaviors of low- and high-energy bursts of FRB 121102. We find that the $q$ values of low- and high-energy bursts are different, which further strengthens the evidence of the bimodality of the energy distribution. Scale invariance in both the high-energy component of FRB 121102 and SGRs can be well explained within the same physical framework of fractal-diffusive SOC systems.

研究动机与目标

• 调查除SGR J1550–5418外的其他SGRs是否在其爆发特性中表现出尺度不变的统计行为。
• 检查SGRs与重复快速射电暴FRB 121102在爆发能量、通量和持续时间差异方面的统计相似性。
• 确定FRB 121102的双峰能量分布是否导致低能与高能爆发成分表现出不同的尺度不变行为。
• 检验观测到的爆发差异的q-高斯分布是否可由分形扩散自组织临界性（SOC）的统一物理模型解释。

提出的方法

• 利用档案RXTE数据分析来自SGR 1806–20的924次爆发和来自SGR J1935+2154的1,500多次爆发，计算多个时间间隔内爆发能量、通量和持续时间的差异。
• 通过q-高斯分布拟合这些差异的概率密度函数（PDF），利用q参数量化尺度不变性。
• 对FAST探测到的1,652次FRB 121102爆发进行相同分析，基于能量分布将爆发分为低能与高能成分。
• 比较不同时间尺度下的q值以评估其恒定性，这是尺度不变性的关键特征。
• 通过将观测到的q值与S = 3和S = 2空间维度下的理论预测进行比较，检验其与分形扩散SOC模型的一致性。
• 利用q-高斯形式对爆发差异的重尾分布进行建模，其中q作为SOC行为的关键指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 SGR 1806–20和SGR J1935+2154是否在其爆发能量、通量和持续时间差异中表现出与SGR J1550–5418类似的尺度不变统计行为？
• RQ2 FRB 121102的重复爆发是否在其差异中表现出尺度不变的q-高斯分布，且这些分布是否与SGRs一致？
• RQ3 FRB 121102的低能与高能成分是否表现出不同的q-高斯参数，表明其具有不同的物理机制？
• RQ4 SGRs与FRB 121102中观测到的q值是否可由空间维度S = 3的统一分形扩散SOC模型解释？

主要发现

• SGR 1806–20和SGR J1935+2154的爆发能量、通量和持续时间差异的概率密度函数（PDF）遵循q-高斯分布，且q值在不同时间尺度下保持近似恒定，证实了尺度不变性。
• SGR 1806–20（qE ≈ 2.12–2.90，qP ≈ 2.10–2.70，qT ≈ 1.83–2.53）和SGR J1935+2154（qE ≈ 2.12–2.90，qP ≈ 2.10–2.70，qT ≈ 1.83–2.53）的q值与三维空间中分形扩散SOC模型的预测一致。
• FRB 121102的高能爆发表现出与S = 3下分形扩散SOC模型一致的q值（qE = 2.21 ± 0.10，qP = 2.34 ± 0.09，qT = 1.50 ± 0.16），尤其在能量和通量方面。
• FRB 121102的低能成分表现出显著不同的q值（平均≈2.0），接近地震的q值，提示其潜在的物理动力学相似性。
• FRB 121102的高能成分与SGRs的q值几乎完全相同（qE ≈ 2.2–2.3），表明其具有由相同SOC机制支配的共同物理起源。
• SGRs与FRB 121102高能爆发中观测到的q-高斯行为，支持了基于空间维度S = 3的分形扩散SOC系统的统一解释。