[论文解读] Gertsenshtein-Zel$'$dovich effect: A plausible explanation for fast radio bursts?

Ashu Kushwaha, Sunil Malik+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文提出，快速射电暴（FRB）源于盖尔茨恩施泰因-泽尔多维奇（Gertsenshtein-Zel'dovich, GZ）效应，即来自中子星或磁星等致密天体的高频引力波（GW）在它们的磁层中转化为相干电磁辐射。该模型解释了非重复FRB观测到的峰值流量、短脉冲宽度和相干特性，提供了一种探测高频引力波的创新间接方法，并支持磁星作为FRB起源天体。

ABSTRACT

We present a novel model that may provide an interpretation for a class of non-repeating FRBs -- short ($<1~ m{s}$), bright ($0.1 - 1000~ m{Jy}$) bursts of MHz-GHz frequency radio waves. The model has three ingredients -- compact object, a progenitor with effective magnetic field strength around $10^{10}~{ m Gauss}$, and high frequency (MHz-GHz) gravitational waves (GWs). At resonance, the energy conversion from GWs to electromagnetic waves occurs when GWs pass through the magnetosphere of such compact objects due to the Gertsenshtein-Zel'dovich effect. This conversion produces bursts of electromagnetic waves in the MHz-GHz range, leading to FRBs. Our model has three key features: (i) predict peak-flux, (ii) can naturally explain the pulse width, and (iii) coherent nature of FRB. We thus conclude that the neutron star/magnetar could be the progenitor of FRBs. Further, our model offers a novel perspective on the indirection detection of GWs at high-frequency beyond detection capabilities. Thus, transient events like FRBs are a rich source for the current era of multi-messenger astronomy.

研究动机与目标

• 解释非重复快速射电暴（FRB）极端明亮与短时标的起源。
• 解决尽管提出了多种机制，但FRB能量与相干性仍缺乏统一模型的问题。
• 提出一种机制：在兆赫至吉赫范围的引力波（GW）通过致密天体磁层中的盖尔茨恩施泰因-泽尔多维奇效应转化为电磁（EM）波。
• 提供一个自然解释观测到的FRB相干性、峰值流量和脉冲宽度的框架，而无需完全依赖电磁过程。
• 提供一种新颖的间接探测方法，用于探测当前观测能力无法触及的高频引力波（10^1–10^10 Hz）

提出的方法

• 利用盖尔茨恩施泰因-泽尔多维奇效应，即引力波与电浆中的磁场耦合，产生电磁辐射的过程。
• 建立高频频段（兆赫至吉赫）引力波在具有强磁场（约10^10 G）的中子星或磁星磁层中转化为电磁波的模型。
• 应用引力波频率与磁层中回旋频率共振的条件，以最大化电磁波的生成。
• 基于入射引力波的振幅与频率以及磁场强度，推导出生成的电磁辐射的光度（LEM）。
• 假设由于相干引力波产生的电磁波具有平面波特性，因而具有方向性发射，与观测到的FRB束状辐射一致。
• 通过结合引力波穿过中子星的概率与电磁辐射与视线方向对齐的概率，估算事件率。

实验结果

研究问题

• RQ1 盖尔茨恩施泰因-泽尔多维奇效应能否解释非重复FRB的极端明亮性与短时标？
• RQ2 如果发射由引力波转换驱动而非纯粹电磁过程，FRB的相干性如何产生？
• RQ3 在中子星磁层中，通过GZ效应生成的电磁辐射的预测光度与峰值流量是多少？
• RQ4 该机制能否解释观测到的每日约10^3次的FRB事件率？
• RQ5 该模型是否为当前探测器无法覆盖的高频引力波（10^1–10^10 Hz）提供可行的间接探测通道？

主要发现

• 该模型预测理论电磁光度（LEM）约为10^36 erg/s，与观测到的FRB峰值流量水平一致。
• 该模型自然解释了FRB的短脉冲宽度，源于共振引力波-电磁波转换过程的瞬态特性。
• FRB的相干性源于引力波的相干激发，通过GZ效应导致相干辐射的电磁波产生。
• 观测到的每日约10^3次的FRB事件率，可通过引力波与中子星相交的低概率与电磁辐射束状指向地球的联合概率自然再现。
• 该模型预测FRB无高能对应体，与观测一致，因为涉及的引力波处于兆赫至吉赫频段，不会产生高能电磁辐射。
• 该机制提供了一种探测高频引力波（最高达14 GHz）的新颖间接方法，为探索早期宇宙物理和修正引力理论（如陈-西蒙斯引力）开辟了新窗口。