[論文レビュー] Stringent upper limits on pulsed radio emission during an active bursting phase of the Galactic magnetar SGRJ1935+2154

L. C.-C. Lin, C. F. Zhang+46 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、活発なバースト発生期にあった銀河縁の磁気星SGR J1935+2154を標的とした8時間にわたるFAST電波望遠鏡キャンペーンを報告している。29件のSGRバーストを検出したが、連続した電波放射は検出されなかった。電波放射の欠如により、FRB 200428のものよりも8桁も深い放射束量上限が得られ、FRB–SGRバーストの関連はまれであり、FRBは高指向性であるか、スペクトルが狭く、またはコherent放射を生じるための極めて特殊な物理的条件を要する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are mysterious millisecond-duration radio transients observed from extragalactic distances. Magnetars have been long speculated as the possible engine to power repeating bursts from FRB sources, but no convincing evidence has been collected so far. Recently, a Galactic magnetar dubbed Soft Gamma-ray Repeater (SGR) J1935+2154 entered an active phase by emitting intense soft gamma-ray bursts. One fast radio burst with two peaks (hereafter FRB 200428) and a luminosity comparable to those of extragalactic FRBs was detected from the source in association with a soft $\gamma$-ray / hard X-ray flare. Here we report an eight-hour targeted observational campaign with the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) in four observing sessions, assisted by multi-wavelength (optical and hard X-rays) observations. During the third session, twenty-nine SGR bursts were detected by the {\it Fermi} Gamma-ray Burst Monitor (GBM). Throughout the observing period, especially during the scrutinized epochs when SGR bursts reached the Earth, no single dispersed pulsed emission was detected by FAST. This places a fluence upper limit eight orders of magnitude deeper than the fluence of FRB 200428. Our results suggest that FRB -- SGR burst associations are rather rare. FRBs may be highly relativistic and geometrically beamed or may carry narrow spectra with the characteristic frequencies of the most bursts far outside the FAST band. More intriguingly, it is also possible that the physical condition to achieve coherent radiation in SGR bursts is contrived. Only under extreme conditions could an FRB be made in association with an SGR burst.

研究の動機と目的

• 磁気星SGRバーストが活発な段階において、高速電波バースト（FRB）を生成できるという仮説を検証すること。
• 銀河内磁気星SGR J1935+2154におけるFRB 200428に類似した放射が、SGRバーストに関連しているかどうかを調査すること。
• 激しいバースト活動中における分散的・連続的電波放射の探索を通じて、SGRバーストの電波放射特性を制約すること。
• FRB生成がSGRバーストの一般的な結果であるのか、それとも稀で特殊な物理的条件を要するのかを特定すること。

提案手法

• SGR J1935+2154の活発な段階中に、500メートル口径球面電波望遠鏡（FAST）を用いた8時間にわたる標的電波観測キャンペーンを実施した。
• FASTによる4回の観測セッションを実施し、*Fermi*ガンマ線バーストモニタ（GBM）および光学・ハードX線観測データと時間的に同期した。
• 特に3回目のセッションで29件のSGRバーストが検出された活発なバースト活動期に、分散的・連続的電波放射をモニタリングした。
• FRBに特徴的な、ミリ秒未満の時間スケールのコherentで分散した電波パルスを検出するための感受性の高い探索アルゴリズムを適用した。
• FRB 200428の放射束量と検出閾値を比較することで、連続的電波放射の放射束量上限を計算した。
• 検出不能の事実をもとに、SGRバーストエネルギーの電波帯域への放射割合に対するきびしい上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SGR J1935+2154の活発な段階におけるSGRバーストと関連した検出可能な連続的電波放射は存在するか？
• RQ2 SGRバーストの電波放射束量は、磁気星と関連するとされている唯一のFRB、FRB 200428のものと比べてどの程度か？
• RQ3 検出不能の結果が、FRBと磁気星活動を結びつけるモデルに与える意味は何か？
• RQ4 FRB放射が高指向性であるか、スペクトルが狭い、あるいは非常に特殊な物理的条件を要する可能性は？
• RQ5 FRBとSGRバーストの関連は一般的な現象であるのか、それとも稀で特殊な事例にとどまるのか？

主な発見

• FASTによる8時間の観測キャンペーン中、*Fermi* GBMが29件のSGRバーストを検出したにもかかわらず、連続的電波放射は検出されなかった。
• 連続的電波放射の放射束量上限は、FRB 200428のものよりも8桁も深いものであり、電波放射効率が極めて低いことを示している。
• 検出不能の結果から、FRB–SGRバーストの関連はおそらくまれであり、すべてのSGRバーストがFRBを生成するという考えは疑わしい。
• 結果から、FRBは高相対論的かつ幾何学的に指向性が強い、あるいはFASTの観測帯域外の狭帯域スペクトルを持つ可能性がある。
• SGRバーストにおけるコherent電波放射を生じるための物理的条件は、極めて特殊で、まれな構成を要する可能性がある。
• FRBがSGRバーストと関連して生成されるのは、極めて特殊な条件下でのみ可能であり、磁気星活動の一般的な結果ではない。