[论文解读] A Bright Fast Radio Burst from FRB 20200120E with Sub-100-Nanosecond Structure

Walid A. Majid, Aaron B. Pearlman+6 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 59被引用 89

一句话总结

本研究利用美国宇航局深空站70米DSS-63天线在2.25 GHz频段，探测到FRB 20200120E发出的明亮无线电爆发，其时间尺度小于100纳秒。该爆发的最窄成分宽度≤100 ns（光行时尺寸≤30米），峰值通量密度为270 Jy，谱亮度温度达4×10³⁰ erg s⁻¹ Hz⁻¹——比蟹 pulsar 纳秒脉冲亮约500倍，表明其辐射极为紧凑，支持其可能源自周期数毫秒的脉冲星。

ABSTRACT

We present the detection of a bright radio burst at radio frequencies between 2.2--2.3 GHz with the NASA Deep Space Network (DSN) 70 m dish (DSS-63) in Madrid, Spain from FRB~20200120E. This repeating fast radio burst (FRB) was recently discovered by the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment Fast Radio Burst (CHIME/FRB) instrument and reported to be associated with the M81 spiral galaxy at a distance of 3.6 Mpc. The high time resolution capabilities of the recording system used in this observation, together with the small amount of scattering and intrinsic brightness of the burst, allow us to explore the burst structure in unprecedented detail. We find that the burst has a duration of roughly 30 $\mu$s and is comprised of several narrow components with typical separations of 2--3 $\mu$s. The narrowest component has a width of $\lesssim$ 100 ns, which corresponds to a light travel time size as small as 30 m, the smallest associated with an FRB to date. The peak flux density of the narrowest burst component is 270 Jy. We estimate the total spectral luminosity of the narrowest component of the burst to be 4 $ imes$ 10$^{ ext{30}}$ erg s$^{ ext{-1}}$ Hz$^{ ext{-1}}$, which is a factor of $\sim$500 above the luminosities of the so-called "nanoshots" associated with giant pulses from the Crab pulsar. This spectral luminosity is also higher than that of the radio bursts detected from the Galactic magnetar SGR 1935+2154 during its outburst in April 2020, but it falls on the low-end of the currently measured luminosity distribution of extragalatic FRBs. These results provide further support for the presence of a continuum of FRB burst luminosities.

研究动机与目标

• 通过高时间分辨率射电观测，探究FRB 20200120E的本征时间尺度与辐射结构。
• 通过亚100 ns时间分辨率，约束爆发辐射区域的物理尺寸与亮度。
• 评估色散与传播效应在塑造观测到的爆发轮廓中的作用。
• 评估爆发的亮度与微结构对前身体模型（特别是脉冲星类系统）的启示。
• 探索FRB 20200120E作为探测银河系电离晕的潜在工具，通过低频色散测量。

提出的方法

• 使用深空站70米DSS-63天线，在2.25 GHz（S波段）与8.36 GHz（X波段）进行同步双波段观测。
• 采用基带记录，时间分辨率62.5 ns，子带带宽16 MHz，以实现高时间保真度。
• 使用标称色散量DM=87.82 pc cm⁻³进行相干去色散，以对齐色散脉冲分量。
• 采用矩形窗函数（62.5 ns至16.2 ms）进行匹配滤波，检测信噪比>7.0的爆发候选体。
• 利用月球与已知标定源进行通量校准，以确定绝对通量密度。
• 通过最窄成分宽度与光行时估算本征辐射区域尺寸。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB 20200120E中最亮爆发成分的本征时间尺度为何？其是否能分辨出亚100 ns结构？
• RQ2 从最窄成分宽度与光行时推断，辐射区域的物理尺寸是多少？
• RQ3 最窄成分的谱亮度与已知天体物理射电暂现源（如蟹 pulsar 与SGR 1935+2154）相比如何？
• RQ4 银河系内与宿主星系中的色散对观测脉冲展宽的贡献分别是什么？
• RQ5 爆发成分的准周期性微结构是否暗示存在旋转中子星或脉冲星类源？

主要发现

• 最窄爆发成分的半高全宽≤100 ns，对应光行时尺寸≤30米。
• 最窄成分的峰值通量密度为270 Jy，谱亮度为4×10³⁰ erg s⁻¹ Hz⁻¹，比蟹 pulsar 纳秒脉冲亮约500倍。
• 爆发持续时间约30 µs，由多个间隔2–3 µs的窄成分组成，总能量通量为1.2 Jy ms。
• 观测到的脉冲展宽在2.3 GHz频段受限于τsc ≲100 ns，对应1 GHz频段色散时间≤3 µs，与银河系盘面及晕层的最小色散一致。
• 微结构的准周期性间距（2–3 µs）与脉冲星微结构相似，提示其可能源自周期数毫秒的脉冲星，具有旋转周期。
• 为驱动该辐射所需估算的磁场强度约为2×10¹¹ G，尽管相对论束射效应可能降低该估算值。