[论文解读] A Highly Variable Magnetized Environment in a Pulsar Binary resembling Fast Radio Bursts

Dongzi Li, A. V. Bilous+3 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本研究在脉冲星双星系统 PSR B1744−24A 中识别出快速、不规则的法拉第旋转测量（RM）变化以及圆偏振辐射的反转，明确展示了在高度可变的磁化环境中存在法拉第转换和圆偏振衰减的证据。这些发现与快速射电暴（FRB）重复源中观测到的行为相一致，提示双星伴星可能是部分FRB的常见起源。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are short, intense extragalactic radio bursts of unknown origin. Recent polarimetric studies have shown that a noticeable fraction of the repeating FRBs display irregular, short-time variations of the Faraday rotation measure (RM). Moreover, evidence for rare propagation effects such as Faraday conversion and polarized attenuation is seen in at least one FRB repeater. Together, they suggest a highly variable magneto-active circum-burst environment. In this paper, we report similar behavior in a globular cluster pulsar binary system PSR B1744-24A. We observe irregular fast changes of RM with both signs at random orbital phases as well as profile changes of the circular polarization when the pulsar emission passes close to the companion. The latter provides strong evidence for Faraday conversion and circularly polarized attenuation. These similarities between PSR B1744-24A and some FRB repeaters, as well as the possible binary-produced long-term periodicity of two active repeaters, and the discovery of a nearby FRB in a globular cluster, where pulsar binaries are common, all suggest that some fraction of FRBs have binary companions.

研究动机与目标

• 研究脉冲星双星中是否存在类似快速射电暴（FRB）重复源中所见复杂传播效应的高变磁化环境。
• 确定在 PSR B1744−24A 中观测到的偏振辐射变化是否可由法拉第转换和圆偏振衰减解释。
• 检验双星系统中的伴星可能产生类似 FRB 的传播效应的假设，从而可能解释部分 FRB 的起源。
• 通过利用脉冲星在远离近星冲相位时稳定辐射作为参考，将传播效应与本征偏振分离。

提出的方法

• 利用绿岸望远镜在 1.5 GHz 和 2 GHz 频率下进行多频段、高时间分辨率观测，检测法拉第旋转测量（RM）和圆偏振（V）的快速变化。
• 采用 RM-DM 分解方法，在假设色散量（DM）变化可忽略的前提下，估算伴星风中平行磁场的下限。
• 通过模拟无线电波在伴星磁层中多极磁场结构中的传播，利用法拉第转换参数 ξ ∝ f⁻⁴ 和 B ∝ f⁻⁴/³ 约束磁场强度。
• 将近近星冲相位观测到的 V 电轮廓与在法拉第转换和圆偏振吸收条件下生成的合成轮廓进行比较，以正常 I 和 V 电轮廓作为基线。
• 应用双折射模型，预测由于回旋共振频率偏移引起的频率依赖性透镜偏移，其中 f_c ∝ B。
• 基于视线路径在磁层中随轨道相位的变化，模拟法拉第转换从完全到可忽略的转变频率 f_T。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲星双星中快速、不规则的 RM 变化是否能模拟从 FRB 重复源推断出的可变磁化环境？
• RQ2 在 PSR B1744−24A 的近星冲相位附近，观测到的圆偏振辐射符号反转的物理机制是什么？
• RQ3 法拉第转换和圆偏振吸收在多大程度上可解释观测到的 V 电轮廓畸变？
• RQ4 为重现脉冲星伴星磁层中观测到的传播效应，所需磁场强度和几何构型为何？
• RQ5 法拉第转换的转变频率 f_T 如何随轨道相位变化？是否可基于磁层几何结构进行预测？

主要发现

• 在随机轨道相位下观测到高达 50% 的快速、不规则 RM 变化，且无相应 DM 变化，暗示伴星风中平行磁场的下限为 12 mG。
• 在轨道相位 1.9 处检测到 RM 突增 50%，在相位 1.8 处检测到 RM 下降 50%，表明存在高度动态、局域化的磁化等离子体结构。
• 在近星冲相位附近，圆偏振（V）电轮廓表现出符号反转，V 从正常状态反转为相反状态并再次恢复，为法拉第转换提供了决定性证据。
• 观测到的 V 电轮廓反转最合理的解释是通过平行磁场 B_z 反转的绝热模跟踪，与多极磁层磁场构型一致。
• 法拉第转换所需的磁场强度估计为 B > 10 G，且同步辐射-回旋共振吸收提供了稳定的下限，提示磁场强度约为 100 G。
• 从完全转换到可忽略转换的转变频率 f_T 预计从轨道相位 0.35 处的 2 GHz 下降至接近近星冲相位的更低值，且在 2 GHz 至 20 GHz 之间预计出现急剧转变。