[论文解读] Burst timescales and luminosities link young pulsars and fast radio bursts

Kenzie Nimmo, J. W. T. Hessels+46 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 78被引用 27

一句话总结

本论文展示了以高时间分辨率检测到的亚微秒 FRB 20200120E 重发射， 将其属性与 Crab 类脉冲星巨脉冲和磁星爆发联系起来，并主张在广泛的时间尺度和光度范围内存在一个共同的磁性驱动发射机制。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are extragalactic radio flashes of unknown physical origin. Their high luminosities and short durations require extreme energy densities, like those found in the vicinity of neutron stars and black holes. Studying the burst intensities and polarimetric properties on a wide range of timescales, from milliseconds down to nanoseconds, is key to understanding the emission mechanism. However, high-time-resolution studies of FRBs are limited by their unpredictable activity levels, available instrumentation and temporal broadening in the intervening ionised medium. Here we show that the repeating FRB 20200120E can produce isolated shots of emission as short as about 60 nanoseconds in duration, with brightness temperatures as high as $3 imes 10^{41}$ K (excluding relativistic effects), comparable to `nano-shots' from the Crab pulsar. Comparing both the range of timescales and luminosities, we find that FRB 20200120E observationally bridges the gap between known Galactic young pulsars and magnetars, and the much more distant extragalactic FRBs. This suggests a common magnetically powered emission mechanism spanning many orders of magnitude in timescale and luminosity. In this work, we probe a relatively unexplored region of the short-duration transient phase space; we highlight that there likely exists a population of ultra-fast radio transients at nanosecond to microsecond timescales, which current FRB searches are insensitive to.

研究动机与目标

• 探索 FRB 20200120E 中的最快时间尺度和最高亮度温度。
• 将观测到的 FRB 属性与银河系脉冲星和磁星进行桥接，以评估发射机制。
• 评估 FRB 20200120E 是否符合与 Crab 脉冲星巨脉冲和 SGR 1935+2154 突发同源的磁气场发射情景。

提出的方法

• 使用一个臨时 EVN 阵列和 Effelsberg 100 米望远镜，以 31.25 ns 的采样记录并分析 FRB 20200120E 的爆发。
• 将数据相干去色散至实际 DM 87.7527 pc cm^-3，并为高时间分辨率分析创建总强度滤波带。
• 识别单独的高信噪比 shots，并通过局部 AMN（卡方分布）统计来评估它们是真正的 shots 还是噪声。
• 对动态谱进行二维自相关分析，以提取爆发宽度、光谱范围和散射带宽。
• 使用 PSR B0355+54 校准极化，并推导旋转测量和极化属性。
• 将测得的爆发的各向同性等效光谱光度和时间尺度与 FRB、Crab 脉冲星 GP 和磁星爆发进行比较，以解释发射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB 20200120E 的爆发中观察到的最短时间尺度是多少，它们有多亮？
• RQ2 FRB 20200120E 的爆发是否表现出与 Crab 脉冲星巨脉冲或磁星爆发相似的微秒及次微秒结构？
• RQ3 FRB 20200120E 是否能够通过时间尺度-光度相空间与 Galactic 脉冲星和磁星建立意义上的联系，以支持一个磁性驱动的发射机制？
• RQ4 FRB 20200120E 的极化特性和 RM 是什么，与其他重复源相比如何？

主要发现

• 在 FRB 20200120E 的 B3 中观察到最短约 60 纳秒的独立射击，亮度温度最高可达约 3×10^41 K（不考虑相对论效应）。
• 爆发时间尺度从数十纳秒到数十微秒， bridging Galactic 年轻脉冲星、磁星和星系外 FRB 之间的差距。
• B3 中的三次高显著射击达到微秒及次微秒结构；B2 与 B4 显示出较不确定的微结构，最可能在最高分辨率下与噪声相符。
• 测得的爆发的各向同性等效光谱光度将 FRB 20200120E 置于 FRB 与 GP/磁星发射的连续体内，与 SGR 1935+2154 和 Crab GP 属性相关联。
• 极化高度线性（>90%），B1–B4 几乎没有圆极化；RM 测量与先前值一致（约 -29.8 rad m^-2）。
• FRB 20200120E 显示的散射带宽与银河系 ISM 一致，光谱变化包括窄（MHz）和更宽 (~100 MHz) 的特征，类似于其他重复源。