[论文解读] A unified picture of Galactic and cosmological fast radio bursts

Wenbin Lu, Pawan Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 14被引用 19

一句话总结

本文通过将与磁星SGR 1935+2154相关的FRB 200428与更广泛的FRB群体联系起来，提出了一种统一的银河系内与宇宙学FRB模型。结果表明，银河系内FRB类事件的体积发生率与宇宙学FRB发生率的暗端相匹配，并提出一种机制：磁星地壳中的地震波激发阿尔芬波，这些波在数十个中子星半径处衰减，从而产生射电辐射。该机制同时解释了X射线与射电脉冲的同步性，其通量比约为~3×10⁻⁵。

ABSTRACT

The discovery of a fast radio burst (FRB) in our galaxy associated with a magnetar (neutron star with strong magnetic field) has provided a critical piece of information to help us finally understand these enigmatic transients. We show that the volumetric rate of Galactic-FRB like events is consistent with the faint end of the cosmological FRB rate, and hence they most likely belong to the same class of transients. The Galactic FRB had an accompanying X-ray burst but many X-ray bursts from the same object had no radio counterpart. Their relative rates suggest that for every FRB there are roughly 10^2 to 10^3 X-ray bursts. The radio lightcurve of the galactic FRB had two spikes separated by 30 ms in the 400-800 MHz frequency band. This is an important clue and highly constraining of the class of models where the radio emission is produced outside the light-cylinder of the magnetar. We suggest that magnetic disturbances close to the magnetar surface propagate to a distance of a few tens of neutron star radii where they damp and produce radio emission. The coincident hard X-ray spikes associated with the two FRB pulses seen in this burst and the flux ratio between the two frequency bands can be understood in this scenario. This model provides a unified picture for faint bursts like the Galactic FRB as well as the bright events seen at cosmological distances.

研究动机与目标

• 通过比较体积发生率，确定银河系FRB 200428是否与宇宙学FRB属于同一族群。
• 在单一物理框架内解释FRB 200428中双射电脉冲（相隔30毫秒）与双X射线尖脉冲的共现现象。
• 通过将FRB 200428置于宇宙学FRB光度函数的暗端，解决其高射电能量与典型中子星巨脉冲低能量之间的矛盾。
• 检验并排除‘远距离’辐射模型，转而支持涉及阿尔芬波传播与衰减的‘近距离’磁层机制。
• 通过单一物理情景（地壳地震波与磁层阿尔芬波转换）统一解释暗弱银河系FRB与明亮宇宙学FRB的辐射机制。

提出的方法

• 比较银河系中类似FRB 200428事件的体积发生率与宇宙学FRB发生率函数的暗端，以评估群体一致性。
• 分析FRB 200428中双脉冲的到达时间与通量比，发现射电与X射线的辐射通量比约为~3×10⁻⁵。
• 提出一种‘近距离’辐射模型：地壳地震波（扭伤剪切模态）从触发点传播至磁星表面，在半径~10–30 R_NS处激发阿尔芬波。
• 利用包含约5次反射的反射模型估算地震波能量向阿尔芬波的转换效率，得到通量比F_A/F ~ 10⁻³。
• 应用磁力线传播模型，从中子星表面传播至电荷耗尽半径，使单位立体角能量减少约0.1倍（R_NS/R ~ 0.1）。
• 假设阿尔芬波光度的相当一部分（数量级为1）被转换为相干射电辐射，预测的射电与X射线光度比约为~10⁻⁴，与观测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系FRB 200428是否与宇宙学FRB发生率函数的暗端一致？
• RQ2 为何SGR 1935+2154的X射线爆发中仅约10⁻³至10⁻²会产生关联FRB？
• RQ3 FRB 200428中的双30毫秒射电脉冲与双X射线尖脉冲能否由单一辐射机制解释？
• RQ4 为何‘远距离’模型无法解释观测到的射电与X射线光曲线及通量比？
• RQ5 能否通过单一物理机制统一解释暗弱银河系FRB与明亮宇宙学FRB的辐射？

主要发现

• 银河系内类似FRB 200428事件的体积发生率与宇宙学FRB发生率函数的暗端一致，表明其属于同一族群。
• FRB与X射线爆发的比率约为10⁻³至10⁻²，表明仅一小部分X射线爆发会产生可探测的射电辐射。
• FRB 200428中的双30毫秒射电脉冲与同步的双X射线尖脉冲，最合理地由单一机制解释：阿尔芬波在~10–30 R_NS处激发与衰减。
• 观测到的射电与X射线通量比约为~3×10⁻⁵，与模型一致：地壳振荡的地震波能量被转换为阿尔芬波，再转化为相干射电辐射，效率约为10⁻⁴。
• 该模型排除了‘远距离’激波驱动射电辐射机制，因其与脉冲时间、通量比和脉冲结构存在不一致。
• 所提出的机制——地震波激发阿尔芬波并在数十个R_NS处衰减——为暗弱银河系FRB与明亮宇宙学FRB提供了统一的解释。