[论文解读] Effects of Gravitational Wave Radiation of Eccentric Neutron Star-White Dwarf Binaries on the Periodic Activity of Fast Radio Burst Sources

Yi-Qing Lin, Hao-Yan Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 39被引用 3

一句话总结

本文通过引入引力波（GW）辐射，重新审视了偏心中子星-白矮星（NS-WD）双星模型在周期性快速射电暴（FRB）源中的应用。研究发现，仅当GW驱动的洛希瓣填充 timescale（TGW）远短于轨道周期（Porb），且爆发事件持续时间（Tfrag）短于Porb时，周期性活动才会出现，这解释了为何仅像FRB 180916和121102这样的长周期FRB才表现出可检测的周期性。

ABSTRACT

We revisit the eccentric neutron star (NS)-white dwarf (WD) binary model for the periodic activity of fast radio burst (FRB) sources, by including the effects of gravitational wave (GW) radiation. In this model, the WD fills its Roche lobe at the periastron and mass transfer occurs from the WD to the NS. The accreted materials can be fragmented and arrive at the NS episodically, resulting in multiple bursts through curvature radiation. Consequently, the WD may be kicked away owing to the conservation of angular momentum. To initiate the next mass transfer, the WD has to refill its Roche lobe through GW radiation. In this scenario, whether the periodic activity can show up relies on three timescales, i.e., the orbital period $P_{ m orb}$, the timescale $T_{ m GW}$ for the Roche lobe to be refilled, and the time span $T_{ m frag}$ for all the episodic events corresponding to each mass transfer process. Only when the two conditions $T_{ m GW} \gtrsim P_{ m orb}$ and $T_{ m frag} < P_{ m orb}$ are both satisfied, the periodic activity will manifest itself and the period should be equal to $P_{ m orb}$. In this spirit, the periodic activity is more likely to show up for relatively long periods ($P_{ m orb} \gtrsim$ several days). Thus, it is reasonable that FRBs 180916 and 121102, the only two sources having been claimed to manifest periodic activity, both correspond to relatively long periods.

研究动机与目标

• 解释为何尽管存在许多重复FRB，仅有少数如FRB 180916和121102表现出周期性活动。
• 研究引力波（GW）辐射在偏心NS-WD双星中实现周期性质量转移的机制作用。
• 解决观测到的活动周期（16.35天和157天）与典型接触双星轨道周期（数十分钟）之间的矛盾。
• 确定周期性FRB活动可被观测到的条件，特别是不同timescale之间的相互作用。
• 评估喷流和角动量损失对模型可行性的影响。

提出的方法

• 建立具有偏心轨道的NS-WD双星系统模型，其中质量转移仅在白矮星填满其洛希瓣的近日点发生。
• 引入引力波（GW）辐射，以计算洛希瓣在质量转移后重新填充的timescale TGW。
• 使用公式 TGW ∝ (1 - e²)^(3/2) / (M1 + M2) × (M2 / (M1 + M2))^(2/3) × (1 / (M1 M2)) 计算TGW，其中∆M2为自由参数。
• 将Tfrag定义为每次质量转移周期内爆发活动的持续时间，作为自由参数处理。
• 比较三个关键timescale：Porb（轨道周期）、TGW（洛希瓣重新填充timescale）和Tfrag（爆发事件持续时间）。
• 应用条件：仅当TGW ≲ Porb且Tfrag < Porb时，周期性才可被观测到，且周期等于Porb。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何仅FRB 180916和121102表现出周期性活动，尽管存在许多重复FRB？
• RQ2 为何观测到的周期性（16.35天和157天）远长于典型接触双星的轨道周期？
• RQ3 在何种条件下，引力波辐射可实现周期性FRB活动的重复？
• RQ4 TGW和Tfrag的timescale如何影响周期性FRB活动的可观测性？
• RQ5 喷流和角动量损失在改变模型可行性方面起什么作用？

主要发现

• 周期性FRB活动仅在同时满足TGW ≲ Porb和Tfrag < Porb时才可被观测到，确保活动窗口狭窄且可重复。
• 该模型预测，周期性活动更可能出现在轨道周期较长（Porb ≳ 几天）的系统中，这解释了FRB 180916和121102的长周期特性。
• 对于FRB 180916，所需的Tfrag约为5天；对于FRB 121102，约为100天，与观测到的活动窗口一致。
• FRB 180916某些预测窗口中未观测到活动，是由于TGW与Porb相当或更长，导致洛希瓣未完全重新填充。
• 当Tfrag ≳ Porb时，周期性被掩盖，这可能解释为何许多无周期性的重复FRB存在。
• 携带角动量的喷流可缩短TGW，使周期性更可能出现，从而增强模型的可行性。