[论文解读] Fast radio bursts explained

M. A. Abramowicz, M. Bejger|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文提出，快速射电暴（FRBs）是由质量范围在 $10^{17}$–$10^{25}$ g 的原初黑洞（PBHs）与星系暗物质晕中的中子星并合并吸积所致。吸积过程及磁场耗散所释放的能量可自然解释FRB的特性——毫秒量级的持续时间、约 $10^{43}$ erg/s 的高亮度、日均超过1000次的高事件率、高亮度温度、偏振特性以及法拉第旋转，而无需引入极端磁场或新物理。

ABSTRACT

If primordial black holes with masses of $10^{25}\,\mbox{g}\gtrsim m \gtrsim 10^{17}\,\mbox{g}$ constitute a non-negligible fraction of the galactic dark-matter haloes, their existence should have observable consequences: they necessarily collide with galactic neutron stars, nest in their centers and accrete the dense matter, eventually converting them to neutron-star mass black holes while releasing the neutron-star magnetic field energy. Such processes may explain the fast radio bursts phenomenology, in particular their millisecond durations, large luminosities ${\sim}10^{43}$ erg/s, high rate of occurrence $\gtrsim 1000/\mbox{day}$, as well as high brightness temperatures, polarized emission and Faraday rotation. Longer than the dynamical timescale of the Bondi-like accretion for light primordial black holes allows for the repeating fast radio bursts. This explanation follows naturally from (assumed) existence of the dark matter primordial black holes and requires no additional unusual phenomena, in particular no unacceptably large magnetic fields of neutron stars. In our model, the observed rate of fast radio bursts throughout the Universe follows from the presently known number of neutron stars in the Galaxy.

研究动机与目标

• 通过原初黑洞（PBHs）作为暗物质候选者所导致的天体物理后果，解释快速射电暴（FRBs）的起源。
• 解释FRB观测到的毫秒量级时标、极高亮度（$\sim10^{43}$ erg/s）、高事件率（>1000/天）以及偏振辐射特性。
• 提出一种机制，自然解释FRB特性，而无需引入不现实的条件，如中子星中不切实际的强磁场。
• 通过PBH-中子星相互作用，将宇宙中观测到的FRB事件率与银河系中已知的中子星数量直接关联。

提出的方法

• 通过类似Bondi的吸积过程，模拟质量较低的原初黑洞（PBHs）在 $10^{17}$–$10^{25}$ g 范围内对中子星的吸积。
• 计算中子星磁场在PBH吸积过程中耗散所释放的能量，该能量驱动FRB辐射。
• 估算吸积和能量释放的时间尺度，以匹配观测到的FRB毫秒量级持续时间。
• 利用银河系中已知的中子星数量，假设PBH构成暗物质中不可忽略的部分，预测宇宙范围内的总FRB事件率。
• 基于较轻PBH的更长吸积时间尺度，评估重复FRB发生的条件。
• 基于磁场能量释放和电浆环境，评估辐射特征——亮度温度、偏振特性以及法拉第旋转。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的快速射电暴特性（包括毫秒量级持续时间与高亮度）能否由原初黑洞对中子星的吸积过程解释？
• RQ2 如果PBH是暗物质的组成部分，那么观测到的高事件率（>1000/天）是否能自然地从银河系中已知的中子星数量推导出来？
• RQ3 FRB中观测到的偏振辐射与法拉第旋转能否由PBH-中子星吸积过程中的磁场能量释放来解释？
• RQ4 FRB是否可能重复发生？若可能，其发生的条件与PBH质量及吸积动力学有何关联？
• RQ5 该模型是否避免了在其他FRB模型中存在问题的、不切实际的强磁场假设？

主要发现

• 该模型通过PBH在中子星上吸积过程中磁场能量释放的时间尺度，自然解释了FRB的毫秒量级持续时间。
• 亮度约为 $10^{43}$ erg/s 是中子星磁场能量在吸积过程中耗散的自然结果。
• 观测到的FRB事件率（>1000/天）与银河系中已知的中子星数量一致，前提是PBH构成暗物质中不可忽略的部分。
• 高亮度温度与偏振辐射源于磁化电浆环境中磁场能量的相干释放。
• 法拉第旋转可自然地由吸积环境中存在的电离等离子体和磁场解释。
• 对于质量较轻的PBH，由于吸积时间尺度超过动力学时标，可能产生多次发射事件，因此重复FRB是可能的。