[论文解读] Free electron laser in magnetars/Fast Radio Bursts

Maxim Lyutikov|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在磁星磁层中由相对论电子-正电子束与由扭曲、反向流体对等离子体中的失稳性引发的自生摆动场相互作用而产生的自由电子激光（FEL）机制，作为快速射电暴（FRB）的起源。该模型通过在超强磁场中束-等离子体相互作用产生的相干辐射，解释了FRB的关键特征——包括高能爆发的同步性、高辐射效率、频率漂移、偏振特性以及间歇性。

ABSTRACT

We discuss coherent free electron laser (FEL) operating during explosive reconnection events in magnetized pair plasma of magnetar magnetospheres. The model explains many salient features of Fast Radio Bursts/magnetars' radio emission: temporal coincidence of radio and high energy bursts, high efficiency of conversion of plasma kinetic energy into coherent radiation, presence of variable, narrow-band emission features drifting down in frequency, high degree of linear polarization. The model relies on magnetar-specific drifting $e^\pm$ plasma components (which generate wiggler field due to the development of the firehose instability) and the presence of reconnection-generated particle beam with mild Lorentz factor of $γ_b \sim$ few hundred.

研究动机与目标

• 解释快速射电暴（FRB）和磁星射电爆发中相干射电辐射的起源。
• 解决长期以来的难题：即中子星磁层中的相对论性电浆如何在典型天体物理系统中辐射效率较低的情况下，仍能产生高效、相干的射电辐射。
• 证明磁星特有的电浆不稳定性与磁重连事件可自然产生自由电子激光（FEL）的自持运行条件。
• 通过一个物理解释自洽的FEL模型，说明观测到的FRB特征，如频率漂移、高线性偏振和间歇性。
• 提供一种机制，解释射电爆发与高能爆发在时间上的同步性，从而解决FRB物理中的一个关键观测谜题。

提出的方法

• 该模型采用一种自由电子激光（FEL）机制，其中相对论性电子-正电子束（γb ~ 几百）在预先存在的摆动磁场中传播。
• 摆动磁场通过磁星磁层中扭曲磁力线上的反向流体对等离子体的失稳性自生产生。
• FEL在超强导向场区域运行（ωB ≫ ωp, ω），其中回旋频率远大于电浆频率和辐射频率。
• 相干辐射源于摆动场被由摆动场的辐射力引起的密度调制所集体反向散射，导致所有电子的相位锁定发射。
• 辐射频率由束流洛伦兹因子和摆动场波长决定，符合FEL共振条件（公式13）。
• 该模型依赖于如扭曲角Δφ和对等离子体多重性ℳ等电浆参数，以确定失稳性的增长率和由此产生的摆动场强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB和磁星爆发中的相干射电辐射能否由磁星磁层中的自由电子激光机制解释？
• RQ2 磁星磁层中的何种物理条件可自然产生FEL运行所需的摆动场和相对论性束流？
• RQ3 FEL模型如何解释FRB中观测到的频率漂移？
• RQ4 为何在某些爆发中射电辐射表现出高度偏振和间歇性，而在其他爆发中则不然？
• RQ5 反向流体对等离子体中的失稳性在超强磁场中如何促成FEL的运行？

主要发现

• 在扭曲磁星磁力线上的反向流体对等离子体中，失稳性可自洽地产生具有空间周期性的摆动场，从而实现FEL运行。
• FEL机制能高效地将束流的动能转化为相干辐射，转换效率可能达到束流能量的很大比例。
• 观测到的FRB频率漂移源于束流传播过程中有效洛伦兹因子变化导致的FEL辐射中心频率降低，与公式（13）一致。
• 高达100%的高线性偏振可自然由线性偏振的摆动场和FEL区域中的一维电子运动解释。
• 该模型解释了射电辐射的间歇性：仅当束流洛伦兹因子（γb ≥ 临界值）足够高且失稳性增长率足够强（要求高Δφ和ℳ）时，才能产生可观测的FEL辐射。
• 该模型解释了射电与高能爆发在时间上的同步性，因为产生束流的同一磁重连事件也触发了生成摆动场的不稳定性。