[论文解读] Fast Radio Bursts from the Decay of Cosmic String Cusps

Robert Brandenberger, Bryce Cyr+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2017

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 36被引用 8

一句话总结

本文提出，快速射电暴（FRB）起源于宇宙弦环上孤立子的部分湮灭，其中相对论性孤立子衰变产生高度束聚的射电辐射。该模型预测的能量通量、短 timescale（~ms）及高事件率与观测结果一致，且可探测到光学对应体，检测率随望远镜灵敏度按 f^{-3/2} 规律变化。

ABSTRACT

We explore the possibility that Fast Radio Bursts are due to the annihilation of cusps on cosmic string loops. We compute the energy released in the annihilation events in the radio region, the expected event rate, and the time scale of the bursts. We find that the energy and event rates are sufficiently high and the time scale is sufficiently small to explain the current data. We predict how the event rate will change as the resolution of telescopes improves. Since the burst rate depends on the string tension, future data will allow the determination of the tension.

研究动机与目标

• 探究快速射电暴（FRB）是否可由宇宙弦环上孤立子的衰变解释。
• 确定孤立子湮灭产生的能量通量、timescale 及事件率是否与观测到的FRB特性一致。
• 预测FRB检测率对望远镜灵敏度的依赖关系，并评估光学对应体的潜在可观测性。
• 利用未来FRB观测约束宇宙弦张力 Gμ。
• 评估模型对反作用效应的鲁棒性，并检验射频频段 E^{-3/2} 光子谱的有效性。

提出的方法

• 使用 Nambu-Goto 作用量对宇宙弦环上孤立子的形成与衰变进行建模，假设为无厚度但具有有限宽度 w 的弦。
• 计算孤立子长度尺度为 l_c ~ R^{2/3} w^{1/3}，其中 R 为环半径，以估计高能辐射区域。
• 利用孤立子衰变为相对论性粒子喷流，并通过逆康普顿或同步辐射过程产生光子，计算射电波段的能量通量。
• 推导单位时间单位体积内的预期事件率，作为检测阈值的函数，假设存在具有环分布 n(R,t) 的标度弦网络。
• 使用公式 m = 20.8 - 2.5 log10(η₀ τ_ms S_Jy / T_60) 估算对应体爆发的光学星等，其中 S_Jy 为以吉赫兹为单位的峰值流量密度。
• 利用当前（帕洛玛瞬变天文台）和未来（LSST）望远镜评估光学对应体的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙弦环上孤立子衰变的能量通量与 timescale 是否足以解释快速射电暴的观测特性？
• RQ2 宇宙弦孤立子湮灭产生的FRB事件率预测为何？其随望远镜灵敏度如何变化？
• RQ3 孤立子衰变事件是否产生可探测的光学对应体？若存在，当前或未来望远镜能否观测到？
• RQ4 未来FRB观测能否约束宇宙弦张力 Gμ？检测率对此参数的敏感度如何？
• RQ5 模型的主要不确定性是什么，特别是关于反作用效应以及射频频段 E^{-3/2} 光子谱的有效性？

主要发现

• 射电波段孤立子衰变的能量通量足够高（~1 Jy），timescale（~ms）足够短，可匹配观测到的FRB特性。
• 预测的事件率足够高，即使仅发生部分湮灭，也能解释当前的FRB观测结果。
• FRB检测率预计随望远镜灵敏度 f 按 f^{-3/2} 规律变化，提供了可检验的预测。
• 该模型预测光学对应体星等 m ~ 15，可被帕洛玛瞬变天文台及未来的 LSST 巡天探测到。
• 爆发的 timescale 主要由传播效应主导，而非固有的孤立子衰变时间，后者短得多。
• 未来FRB数据可约束宇宙弦张力 Gμ，该模型为观测事件率与基本弦参数之间提供了直接联系。