[论文解读] Axion Stars and Repeating Fast Radio Bursts with Finite Bandwidths

Aiichi Iwazaki|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 7

一句话总结

该论文提出，重复性快速射电暴（FRB），如 FRB 121102，起源于早期星系中轴子星与黑洞周围磁化吸积盘的重复碰撞。在强磁场（~10¹¹ G）中，轴子诱导的电场驱动电子相干振荡，产生单色辐射，观测到的高斯谱型因热多普勒效应而展宽，自然解释了爆发的窄带宽和可变中心频率。

ABSTRACT

We have proposed a model of non repeating fast radio bursts ( FRBs ); the collisions between axion stars and neutron stars generate the bursts. In this paper, we propose a model of repeating FRBs which shows that they arise from the several collisions between magnetized accretion disk of a black hole and an axion star orbiting the black hole. There would be many axions stars condensing as dark matter in an early stage galaxy so that such collisions arises repeatedly. The radiations are emitted by coherent oscillations of electrons in the accretion disk. The oscillations are caused by oscillating electric fields, which are induced by axion stars under strong magnetic field $\sim O(10^{11})$G. The emissions are terminated by the thermal fluctuations of the electrons which result from the thermalization of the oscillation energies. Although the radiations are monochromatic, the thermal Doppler effects broaden the spectral lines; their spectra $S(ν)$ are given by $S(ν) \propto \exp(-(ν-ν_c)^2/2(δν)^2)$ with the center frequency $ν_c$. The bandwidth $δν=ν_c\sqrt{T_c/m_e}$ with electron mass $m_e$ is determined by the critical temperature $T_c$ at which the thermal fluctuations terminate the coherent emissions. The observed bandwidths $(3\sim5) imes10^2$MHz are originated from the strong magnetic fields $\sim O(10^{11})$G. With such strong magnetic fields, large amount of the burst energies are produced. Various center frequencies $ν_c$ of the bursts in the repeating FRB 121102 come from the various rotation speeds in the disk which make an intrinsic frequency of the bursts being Doppler shifted. The recent observation showing an extreme magneto-ionic environment around the source of FRB 121102 supports our model.

研究动机与目标

• 解释 FRB 121102 的重复性，该现象无法由灾变模型解释。
• 解释重复 FRB 中观测到的高斯谱型与窄带宽（~200–500 MHz）。
• 将观测到的频率可变性（1.2–3.5 GHz）与不同盘面旋转速度引起的多普勒频移联系起来。
• 将 FRB 的高能输出（~10⁴⁰ erg/s）与强磁场（~10¹¹ G）及轴子-光子转换联系起来。
• 提供一种机制，解释 FRB 121102 中观测到的谱型波动性（正/负谱指数），源于热运动展宽的本征单色发射。

提出的方法

• 模拟围绕黑洞运行的轴子星与几何薄、强磁化吸积盘之间的碰撞。
• 假设轴子星通过强磁场（~10¹¹ G）中的振荡电场转化为电磁辐射。
• 将盘中电子气体视为受轴子诱导场驱动的相干简谐振荡，以频率 ν_int = m_a/(2π) 辐射偶极辐射。
• 应用热电子涨落引起的多普勒展宽，推导出观测到的谱形 S(ν) ∝ exp[−(ν−ν_c)² / 2(δν)²]。
• 推导出带宽 δν = ν_c √(T_c / m_e)，其中 T_c 为振荡能量热化临界温度。
• 在观测频率 ν_ob ∝ ν_int / (1+z) × √(1−v²)/(1+v cosθ) 中考虑宇宙学、引力和多普勒红移。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过非灾变性天体物理机制解释 FRB 121102 的重复性？
• RQ2 为何爆发表现出高斯谱型与窄带宽，而非幂律谱型？
• RQ3 何种物理机制导致 FRB 121102 中观测到的频率可变性（1.2–3.5 GHz）？
• RQ4 如何在相干辐射模型下解释 FRB 的高能输出（~10⁴⁰ erg/s）？
• RQ5 FRB 121102 中观测到的谱型波动性（α > 0 和 α < 0）的起源是什么？

主要发现

• FRB 121102 中观测到的 (3–5)×10² MHz 带宽由相干电子振荡的热多普勒展宽解释，其中 δν ∝ ν_c √(T_c / m_e)。
• 中心频率 ν_c ≈ 1.2–1.4 GHz 与轴子质量 m_a ≈ 2π × (1.2–1.4) GHz ≈ 7.5–8.8 meV 一致。
• 该模型预测非重复性 FRB 也应表现出高斯谱型 S(ν) ∝ exp[−(ν−ν_c)² / 2(δν)²]，其中 ν_c = m_a / [2π(1+z)]。
• FRB 121102 中观测到的频率展宽源于不同盘面旋转速度引起的多普勒频移，而非本征谱型可变性。
• 该模型通过强磁场（~10¹¹ G）解释 FRB 的高能输出，强磁场增强轴子-光子转换与相干辐射。
• 近期对 FRB 121102 源周围高度磁化环境的探测支持了该模型关于辐射区域强磁场的预测。