[论文解读] The Arecibo Fast Radio Burst: Dense Circum-burst Medium

S. R. Kulkarni, E. O. Ofek+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2015

Seismic Imaging and Inversion Techniques参考文献 2被引用 26

一句话总结

该论文提出，FRB 121102 源于年轻磁星周围的致密、恒星形成活跃区域，其陡峭的谱指数由银河系外爆发周围星云中的自由-自由吸收引起。作者得出结论，年轻磁星的超大耀发是最可能的前身体，解决了FRB的高体积发生率问题，并解释了色散量、旋转量和谱吸收效应。

ABSTRACT

The nature of fast radio bursts (FRB) has been extensively debated. Here we investigate FRB121102, detected at Arecibo telescope and remarkable for its unusually large spectral index. After extensive study we conclude that the spectral index is caused by a nebula with free-free absorption. We find that putative nebula must lie beyond the Milky Way. We conclude that FRBs are of extra-galactic origin and that they arise in dense star-forming regions. The challenge with extra-galactic models is the the high volumetric rate of FRBs. This high rate allows us to eliminate all models of catastrophic stellar deaths. Hyper-giant flares from young magnetars emerge as the most likely progenitors. Some of the consequences are: (i) Intergalactic FRB models can be safely ignored. (ii) The rich ISM environment of young magnetars can result in significant contribution to DM, Rotation Measure (RM) and in some cases to significant free-free optical depth. (iii) The star-forming regions in the host galaxies can contribute significantly to the DM. Including this contribution reduces the inferred distances to FRBs and correspondingly increases the volumetric rate of FRBs (and, in turn, may require that giant flares can also produce FRBs). (iv) FRBs are likely to be suppressed at lower frequencies. Conversely, searching for FRBs at higher frequencies (2-5 GHz) would be attractive. (v) The blast wave which produces the radio emission can undergo rapid deceleration if the circum-burst medium is dense (as maybe the case for FRB121102), leading to X-ray, radio and possibly gamma-ray emission. (vi) Galaxies with high star formation rate host will have a higher FRB rate. However, such FRBs will have differing DMs owing to differing local contributions. (vi) The DM and RM of FRBs will prove to be noisy probes of the intergalactic medium (density, magnetic field) and cosmography.

研究动机与目标

• 解决FRB 121102异常大的谱指数和高色散量（DM）超出银河系贡献的原因。
• 确定FRB是否为星系外起源，并在推断出的高体积发生率背景下，识别其前身机制。
• 评估宿主星系中致密星际介质（ISM）结构对DM和RM的贡献，并评估其对宇宙学测量和探测策略的影响。
• 通过比较能量输出、辐射机制和观测特征（如X射线和射电余晖），检验磁星巨耀发作为前身体的可行性。
• 通过预测频率相关的抑制效应和最优观测波段，指导未来FRB的探测。

提出的方法

• 使用自由-自由吸收光学厚度标度 τ_ff ∝ ν^−2.1 对FRB 121102的谱指数进行建模，解释其陡峭谱。
• 利用色散量（DM）和旋转量（RM）数据推断宿主星系中存在致密、磁化的ISM结构，排除纯粹的星间介质起源。
• 将推断出的FRB体积发生率与软伽马射线暴源（SGRs）的巨耀发率进行比较，发现仅当FRB发生率提高约67倍时才一致。
• 评估局部ISM对DM和RM的影响，并建模致密介质中的激波减速，以预测X射线和射电余晖。
• 评估低频和高频下FRB的可探测性，预测由于自由-自由吸收导致低频段抑制，并偏好2–5 GHz波段。
• 提出高分辨率、超宽带谱（米波至厘米波）对识别吸收特征和区分前身体环境至关重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB 121102 观测到的异常陡峭谱指数由何引起？能否通过爆发周围致密介质中的自由-自由吸收来解释？
• RQ2 FRB 121102 的高色散量是否可由宿主星系中致密、恒星形成活跃的ISM结构贡献来解释，而非仅来自星间介质？
• RQ3 推断出的FRB高体积发生率是否与已知天体物理现象一致，特别是年轻磁星的巨耀发？
• RQ4 在致密ISM环境中，FRB应伴随哪些观测特征（如X射线、射电、γ射线余晖）？如何探测这些特征？
• RQ5 局部ISM贡献如何影响DM和RM作为星间介质探测工具和宇宙学测量手段的可靠性？

主要发现

• FRB 121102 的谱指数最合理的解释是银河系外存在致密星云中的自由-自由吸收，而非银河系内。
• 观测到的DM和RM显著受宿主星系中局部ISM结构影响，导致FRB推断距离减小，体积发生率提高。
• FRB的高体积发生率与核心坍缩超新星或其他灾难性恒星死亡模型不一致，排除了这些模型作为前身体的可能性。
• 年轻磁星的超巨耀发是最可行的前身体模型，需巨耀发率提高67倍才能与观测到的FRB发生率一致。
• 由于自由-自由吸收，FRB在低频段（如低于1 GHz）将被抑制，因此2–5 GHz波段是最佳探测波段。
• 致密爆发周围介质可导致激波快速减速，产生可探测的X射线和射电余晖，甚至可能产生γ射线辐射，为磁星模型提供可检验的特征。