[论文解读] Fast Radio Bursts from Axion Stars

Aiichi Iwazaki|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2014

Astronomy and Astrophysical Research被引用 14

一句话总结

本文提出，快速射电暴（FRBs）起源于轴子星——引力束缚的暗物质天体——与中子星的碰撞。轴子星振荡场通过中子星磁场中的轴子-光子转换产生相干射电辐射，由于电子热涨落导致有限带宽，从而在约2.4 GHz处产生短暂而明亮的爆发。该模型预测轴子星质量约为10⁻¹² M☉，与观测到的FRB事件率和特性一致。

ABSTRACT

Axions are one of the most promising candidates of dark matter. The axions have been shown to form miniclusters with masses $\sim 10^{-12}M_{\odot}$ and to become dominant component of dark matter. Some of the axion miniclusters condense to form axion stars. We have recently shown a possible origin of fast radio bursts ( FRBs ) by assuming that the axion stars are main component of halos: FRBs arise from the collisions between the axion stars and neutron stars. It is remarkable that the masses of the axion stars obtained by the comparison of the theoretical and observational event rates are coincident with the mass $\sim 10^{-12}M_{\odot}$. In this paper, we describe our model of FRBs in detail. We derive the approximate solutions of the axion stars with large radii and constraint their masses for the approximation to be valid. The FRBs are emitted by electrons in atmospheres of neutron stars. By calculating the optical depth of the atmospheres, we show that they are transparent for the radiations with the frequency given by the axion mass $m_a$ such as $m_a/2π\simeq 2.4$GHz$(m_a/10^{-5} m eV)$. Although the radiations are linearly polarized when they are emitted, they are shown to be circularly polarized after they pass magnetospheres of neutron stars. We also show that the FRBs are not broadband and their frequencies have finite bandwidths owing to the thermal fluctuations of the electrons in the atmospheres of the neutron stars. The presence of the finite bandwidths is a distinctive feature of our model and can be tested observationally. Furthermore, we show that similar FRBs may arise when the axion stars collide with magnetic white dwarfs $B\sim 10^9$G. The distinctive feature is that the durations of the bursts are of the order of $0.1$second.

研究动机与目标

• 解释快速射电暴（FRBs）作为轴子星与中子星碰撞的自然结果。
• 将观测到的事件率、持续时间和能量与基于轴子暗物质特性的理论预测相协调。
• 通过大气层和磁层对辐射的影响，解释观测到的FRB圆偏振和有限带宽特性。
• 探讨轴子星与磁性白矮星碰撞产生类似FRB的可能性，并通过持续时间和带宽加以区分。

提出的方法

• 通过将轴子场和引力势展开为cos(nωt)形式的本征模，推导大半径轴子星的近似解，其中ω ≈ mₐ − k²/2mₐ。
• 利用关系式Mₐ = 1/(Gmₐ²Rₐ)关联轴子星质量与半径，其中k ≈ GMₐmₐ²，以确保与观测到的FRB事件率一致。
• 通过中子星磁场中的轴子-光子转换建模相干射电辐射，产生振荡电场Eₐ ∝ a(t,x)B(x)，驱动电子振荡。
• 计算中子星大气层的光学厚度，以确定在频率f ≈ mₐ/(2π) ≈ 2.4 GHz（当mₐ ≈ 10⁻⁵ eV时）的透明度，表明其为光学薄。
• 分析磁层效应，表明线性偏振辐射因左右手性模式选择性吸收而变为圆偏振。
• 通过建模电子密度的热涨落估算爆发亮度和带宽，从而导致有限的谱线宽度。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴子星——引力束缚的暗物质天体——是否可通过与中子星的碰撞产生FRB，且其事件率和能量与观测结果一致？
• RQ2 能够产生与观测一致的FRB特性的轴子星，其预测质量和半径是多少？
• RQ3 为何观测到的FRB具有有限带宽而非单色？这在轴子星模型中如何产生？
• RQ4 中子星磁层如何影响发射的FRB辐射的偏振状态？这能否解释观测到的圆偏振？
• RQ5 轴子星与磁性白矮星碰撞是否可能产生类似FRB的信号？若能，其与中子星碰撞产生的信号有何不同？

主要发现

• 预测质量Mₐ ≈ 10⁻¹² M☉、半径Rₐ ≈ 100 km的轴子星可产生与观测事件率、持续时间（~ms）和能量输出（~10⁴³ GeV）一致的FRB。
• 辐射的中心频率为f ≈ mₐ/(2π) ≈ 2.4 GHz，当轴子质量mₐ ≈ 10⁻⁵ eV时，与典型FRB频段匹配。
• FRB中的有限带宽源于中子星大气层中电子密度的热涨落，这是该模型的独特预测。
• 由于密度低且磁场强（B ≥ 10¹⁰ G），中子星大气层在~2.4 GHz处为光学薄，允许辐射逃逸。
• 辐射初始为线性偏振，但穿过磁层后因手性模式选择性吸收而变为圆偏振。
• 与磁性白矮星（B ~ 10⁹ G）的碰撞可能产生持续时间约0.1秒、带宽更宽的类似FRB的爆发，若此类白矮星足够多，则可与中子星碰撞产生的信号区分开来。