[论文解读] Fast Radio Bursts from neutron stars plunging into black holes

Sudip Bhattacharyya|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 33被引用 6

一句话总结

本文提出，快速射电暴（FRB）起源于中子星在坠入旋转黑洞时因快速自转而发出的巨脉冲。该模型通过自转加速诱导的辐射解释了FRB的高亮度、时标和非重复特性，预测附近并合事件会同时产生引力波，并暗示强引力效应如参考系拖拽和事件视界的存在。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are millisecond-duration intense radio flares occurring at cosmological distances. Many models have been proposed to explain these topical astronomical events, but none has so far been confirmed. Here we show that a novel way involving enhanced giant radio pulses from a rapidly spun-up neutron star near a spinning black hole can explain the main properties of non-repeating FRBs. Independent observations of such pulses, which are not enhanced, from some Galactic pulsars make our model reliable. If correct, our model would imply the existence of event horizons, the Lense-Thirring effect, and a significant spin energy extraction from a black hole. Moreover, an FRB would then probe the pulsar magnetosphere and its emission, and map the strong gravity region near a black hole. Besides, our model predicts simultaneous detections of FRBs and gravitational waves from black hole -- neutron star mergers for fortuitously nearby FRB events.

研究动机与目标

• 通过不依赖未经验证的辐射过程的机制，解释非重复FRB的高射电亮度和毫秒时标。
• 通过将FRB与中子星的巨脉冲联系起来，解释其他波段缺乏伴射电的缺失。
• 提供一个物理解释机制，通过黑洞-中子星并合动力学解释大多数FRB的非重复性。
• 建立FRB与附近黑洞-中子星并合产生的可探测引力波之间的联系。
• 证明该模型可利用已独立验证的现象（如银河系脉冲星的巨脉冲）解释观测到的FRB特性。

提出的方法

• 建模中子星在接近旋转黑洞的最内层稳定圆轨道（ISCO）时，因Lense-Thirring进动而引起的自转加速。
• 使用点陀螺的进动频率公式，估算中子星在螺旋靠近过程中自转频率的演化。
• 基于中子星自转频率的增加和已知的磁场强度（例如蟹状脉冲星的B = 3.79×10¹² G）计算巨脉冲的亮度。
• 通过考虑脉冲的本征宽度（由自转加速时标和观测到的FRB持续时间决定）评估发射时标。
• 估算此类FRB事件的预期发生率，并与观测到的FRB率及预测的黑洞-中子星并合率进行比较。
• 假设探测距离有利，预测最终并合阶段会伴随有引力波信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在黑洞附近快速自转的中子星所辐射的巨脉冲能否解释非重复FRB的极端亮度和短时标？
• RQ2 通过Lense-Thirring进动实现的自转加速机制是否能自然解释大多数FRB的非重复性？
• RQ3 该模型能否预测与FRB事件共发的可探测引力波信号，从而提供可检验的特征？
• RQ4 自转加速过程如何影响中子星磁层的辐射特性？这是否与观测到的FRB能量通量和色散量一致？
• RQ5 此类FRB产生系统的事件率是否与观测到的约10³ Gpc⁻³ yr⁻¹的FRB率一致？

主要发现

• 该模型解释了FRB的本征峰值流量密度超过1120 Jy，以及亮度高于6.8×10⁴⁴ erg s⁻¹，与观测到的FRB 150807一致。
• 由于Lense-Thirring进动导致中子星快速自转，巨脉冲的亮度显著增加，解释了观测到的高射电亮度温度（约10³⁵ K）。
• FRB的非重复性由中子星最终坠入黑洞并发生并合自然解释，该过程终止了辐射。
• 该模型预测，来自附近黑洞-中子星并合的FRB将伴随可探测的引力波信号，为关键观测检验提供依据。
• 估算的FRB事件率约为10³ Gpc⁻³ yr⁻¹，与黑洞-中子星并合率的乐观估计一致，支持该模型的合理性。
• 该机制暗示了事件视界的存 在、Lense-Thirring效应以及黑洞自旋能量的显著提取，为强引力场提供了强有力的诊断手段。