[论文解读] Chromatic periodic activity down to 120 MHz in a Fast Radio Burst

Inés Pastor-Marazuela, Liam Connor+35 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 61被引用 21

一句话总结

本研究利用阿珀蒂夫（Apertif）和LOFAR对FRB 20180916B进行的同时观测，首次在120 MHz的频率下检测到快速射电暴（FRB）的色散周期性活动。爆发在高频段表现出更窄且更早的活动窗口，与双星风相互作用模型的预测相矛盾，表明低频发射可逃逸局部介质，说明部分FRB处于洁净环境。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are extragalactic astrophysical transients whose brightness requires emitters that are highly energetic, yet compact enough to produce the short, millisecond-duration bursts. FRBs have thus far been detected between 300 MHz and 8 GHz, but lower-frequency emission has remained elusive. A subset of FRBs is known to repeat, and one of those sources, FRB 20180916B, does so with a 16.3 day activity period. Using simultaneous Apertif and LOFAR data, we show that FRB 20180916B emits down to 120 MHz, and that its activity window is both narrower and earlier at higher frequencies. Binary wind interaction models predict a narrower periodic activity window at lower frequencies, which is the opposite of our observations. Our detections establish that low-frequency FRB emission can escape the local medium. For bursts of the same fluence, FRB 20180916B is more active below 200 MHz than at 1.4 GHz. Combining our results with previous upper-limits on the all-sky FRB rate at 150 MHz, we find that there are 3-450 FRBs/sky/day above 50 Jy ms at 90% confidence. We are able to rule out the scenario in which companion winds cause FRB periodicity. We also demonstrate that some FRBs live in clean environments that do not absorb or scatter low-frequency radiation.

研究动机与目标

• 在300 MHz以下检测FRB 20180916B的低频发射，此前的搜索在此频段均未成功。
• 研究FRB 20180916B在宽频带（120–1520 MHz）内周期性活动的色散特性。
• 检验双星风相互作用模型是否能解释观测到的周期性及频率依赖的活动窗口。
• 利用新检测结果和先前的上限值，约束150 MHz频段的全天FRB率。
• 通过分析低频段的色散量和散射 timescale，评估FRB 20180916B的电离环境。

提出的方法

• 在多个活动周期内，利用西伯尔克综合孔径射电望远镜上的阿珀蒂夫系统（1220–1520 MHz）和LOFAR（110–190 MHz）对FRB 20180916B进行同时观测。
• 使用Psrchive软件计算使信噪比（S/N）最大的色散量（DM），并随后通过ν⁻²时间延迟模型校正子突发，使其对齐。
• 对子突发轮廓应用多组分高斯拟合程序，以测量漂移速率，采用最小二乘法确定子脉冲中心及其频率-时间演化。
• 将S/N > 20的爆发的色散量取平均，得到LOFAR的最终DM为349.00 ± 0.02 pc cm⁻³。
• 将400 MHz和600 MHz处的观测漂移速率拟合至幂律和线性函数，以推断LOFAR频段的特性。
• 在去色散后对LOFAR爆发进行堆叠，以提高信噪比，并估计平均散射 timescale。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在低至120 MHz的频率检测到FRB发射，其是否表现出周期性活动？
• RQ2 FRB 20180916B的活动窗口如何随频率变化，是否与双星风相互作用模型的预测一致？
• RQ3 在低频段，FRB 20180916B的色散量是多少，与高频段测量结果相比如何？
• RQ4 在1.4 GHz频段，FRB 20180916B的子脉冲漂移速率是多少，其随频率如何演化？
• RQ5 基于新检测结果和先前的上限值，能否对150 MHz频段的全天FRB率施加约束？

主要发现

• 在120–190 MHz频段通过LOFAR检测到九次爆发，标志着首次在300 MHz以下检测到FRB发射。
• FRB 20180916B的活动窗口在高频段更窄且更早，与双星风相互作用模型的预测相反。
• LOFAR测得的色散量为349.00 ± 0.02 pc cm⁻³，当校正至相同的k_DM值后，与阿珀蒂夫测得的348.75 pc cm⁻³一致。
• 1370 MHz频段的平均子脉冲漂移速率为-39 ± 7 MHz ms⁻¹，标准差为31 MHz ms⁻¹。
• 外推至150 MHz表明漂移速率约为-6 MHz ms⁻¹，但LOFAR数据中未观测到清晰的子脉冲结构以证实该值。
• 低频爆发的检测排除了自由-自由吸收或强散射导致低频发射被抑制的可能，表明FRB 20180916B位于洁净环境中。