[论文解读] FRBs and dark matter axions

Aiichi Iwazaki|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 5

一句话总结

本文提出，快速射电暴（FRBs）起源于中子星与暗物质轴子星的碰撞，无线电波发射由强磁场在轴子星上感应出的电场中加速电子产生。尽管潮汐力使轴子星发生形变而拉长，该模型仍与观测一致，通过电子碰撞效应解释了FRBs的窄带特性，并预测由于暗物质聚集，银河系中心的事件率更高。

ABSTRACT

We have proposed a model of a progenitor of fast radio bursts (FRBs): The FRBs are emitted by electrons in atmospheres of neutron stars when neutron stars collide with dark matter axion stars. We reexamine the model by taking account of the tidal forces of the neutron stars. The axion stars are distorted by the forces so that they become like long sticks when they are close to the neutron stars. Although the tidal forces fairly distort the axion stars, our model is still consistent with present observations. We explain a distinctive feature of our model that the FRBs are not broadband, but narrowband. We also show that two-component FRBs may arise when the axion stars collide with binary neutron stars. FRBs would most frequently arise in centers of galaxies since the dark matter concentrates in the centers.

研究动机与目标

• 解释快速射电暴（FRBs）起源于轴子星与中子星碰撞时电子加速产生的辐射。
• 通过引入中子星引起的潮汐力，重新评估该模型，其使轴子星形变成长条状结构。
• 解释尽管轴子质量振荡本应产生单色辐射，为何观测到的FRBs呈现窄带特性。
• 预测由于暗物质聚集，FRBs在银河系中心最频繁发生。
• 探讨双中子星碰撞可能产生双组分FRB光曲线的可能性。

提出的方法

• 将轴子星建模为引力束缚的相干标量场构型，其半径与振荡频率依赖于质量 $ m_a/(2\pi) $。
• 通过强磁场中的轴子-光子耦合计算轴子星上感应出的电场，导致电子加速。
• 应用潮汐力效应，表明轴子星在靠近中子星时形变成细长结构，但不影响辐射机制。
• 估算致密大气中电子的碰撞率（$ n_e \sim 10^{20}\,\text{cm}^{-3} $），通过散射截面解释有限带宽。
• 考虑引力与宇宙学红移，将本征轴子频率 $ \sim 2.4\,\text{GHz} $ 与地球观测频率 $ \sim 1.38\,\text{GHz}/(1+z) $ 关联。
• 将模型扩展至双中子星系统，以解释双组分FRB光曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子星的潮汐力如何影响碰撞过程中轴子星的结构与辐射？
• RQ2 尽管轴子质量暗示单一频率，为何观测到的FRBs为窄带而非单色？
• RQ3 FRBs的预期红移后频率是多少？与观测结果如何比较？
• RQ4 为何FRBs更可能发生在银河系中心？暗物质分布如何影响这一现象？
• RQ5 与双中子星碰撞是否可能产生双组分FRB光曲线？

主要发现

• 潮汐力使球形轴子星在靠近中子星时形变成细长棒状，但辐射机制仍具可行性。
• FRBs的有限带宽主要源于致密电浆中电子的碰撞，估算值为 $ \sim 0.24\,\text{GHz} $，与观测约束一致。
• 对于 $ m_a = 10^{-5}\,\text{eV} $，本征辐射频率为 $ \sim 2.4\,\text{GHz} $，在地球红移至 $ \sim 1.38\,\text{GHz}/(1+z) $。
• 由于暗物质聚集，FRB事件率在银河系中心最高，与观测到的FRB天区分布一致。
• 轴子星与双中子星碰撞可能产生双组分FRB光曲线，源于复杂的潮汐形变与双次辐射爆发。
• 磁性白矮星也可能通过相同机制产生射电爆发，但因引力红移较小，观测频率更高。