[论文解读] Connecting repeating and non-repeating fast radio bursts via their energy distributions

Franz Kirsten, O. S. Ould-Boukattine+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本研究分析了利用四台25–32米射电望远镜在2,000多小时内对超活跃重复快速射电暴源FRB 20201124A进行观测所获得的46个高能爆发的能谱分布。结果发现，高能爆发的分布与看似非重复的FRB极为相似，表明非重复FRB可能仅仅是重复源中最罕见的爆发，暗示两类源具有共同的物理起源。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are extremely energetic, millisecond-duration radio flashes that reach Earth from extragalactic distances. Broadly speaking, FRBs can be classified as repeating or (apparently) non-repeating. It is still unclear, however, whether the two types share a common physical origin, differing only in their activity rate. Here we report on an unprecedented observing campaign that targeted one hyperactive repeating source, FRB 20201124A, for more than $2000~\mathrm{hr}$ using four $25-32\mathrm{-m}$ class radio telescopes. In total, we detect $46$ high-energy bursts, many more than one would expect given previous observations of lower-energy bursts using larger radio telescopes. We find a high-energy burst distribution that resembles that of the non-repeating FRB population, suggesting that apparently non-repeating FRB sources may simply be the rarest bursts from repeating sources. We also discuss how FRB 20201124A contributes strongly to the all-sky FRB rate and how similar sources would be observable even at very high redshift.

研究动机与目标

• 通过比较能量分布，研究重复与非重复快速射电暴（FRB）是否具有共同的物理起源。
• 利用超活跃重复源FRB 20201124A探测稀有高能事件，以研究爆发群体的高能尾部特征。
• 检验假设：看似非重复的FRB仅仅是重复源中活动性最低的个体，而非物理上不同的对象。
• 评估FRB 20201124A这类超活跃源对全天FRB率的贡献，以及其在高红移处的可探测性。

提出的方法

• 利用四台25–32米射电望远镜开展持续2,000多小时的观测活动，监测超活跃重复源FRB 20201124A。
• 使用300 MHz的参考带宽测量爆发能量通量密度（fluence）与谱能密度（Eν = E/ν），以实现不同FRB群体间的标准化比较。
• 采用幂律模型R(>Eν) ∝ Eν^γ拟合累积爆发谱能密度分布，其中γ为关键比较参数。
• 利用十个明亮、多组分爆发的色散量（DM）测量结果，确认源距离并验证辐射性质的一致性。
• 基于探测阈值与实际积分时间，计算P-、L-和C-波段的预期爆发数量，以评估观测灵敏度与完备性。
• 将FRB 20201124A的推导能谱分布与已发表的非重复FRB能量分布进行比较，评估其谱斜率γ的相似性。

实验结果

研究问题

• RQ1 重复与非重复FRB的能量分布是否在统计上相似，提示其具有共同的物理起源？
• RQ2 重复FRB群体的高能尾部是否与看似非重复FRB的能量分布一致？
• RQ3 非重复FRB的稀有性是否可由重复源中最高效爆的探测概率较低来解释？
• RQ4 FRB 20201124A对全天FRB率的贡献有多大？其在高红移处的可探测性如何？
• RQ5 FRB 20201124A的观测谱能密度，特别是在高Eν区域，其幂律斜率γ是否与非重复FRB一致？

主要发现

• 在2,000多小时的观测中，FRB 20201124A共产生46个高能爆发，显著多于以往使用更大望远镜的巡天观测所预期的数量。
• FRB 20201124A的谱能密度分布具有幂律斜率γ ≈ -1.5至-0.6，与非重复FRB中观测到的更平坦的能量分布极为相似。
• 重复源爆发分布的高能尾部与非重复FRB的能量分布一致，表明非重复FRB可能仅仅是重复源中最罕见的爆发。
• FRB 20201124A对全天FRB率有显著贡献，估计在300 MHz带宽下每天可探测到1.5至3.2次爆发。
• 该源在高红移（z ≈ 0.098）仍可探测，且类似超活跃源在z > 1时也可能可观测，从而扩展了FRB巡天的宇宙学探测范围。
• 来自十个明亮爆发的色散量测量结果在整个观测期间保持一致，数值介于410.4至411.9 pc cm⁻³之间，支持其红移z = 0.098的稳定距离。