[论文解读] Magnetic field reversal in the turbulent environment around a repeating fast radio burst

Reshma Anna-Thomas, Liam Connor+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 13

一句话总结

本研究利用格林班克望远镜和帕克斯望远镜的多频段偏振观测，首次在重复快速射电暴 FRB 20190520B 周围湍流等离子体环境中观测到磁场反转现象。FRB 在 17 个月内表现出高度可变的法拉第旋转，其符号发生两次反转，表明源附近 10^{-5} 至 100 秒差距范围内存在动态湍流磁场，极有可能由双星伴星的恒星风引起。

ABSTRACT

All the bursts of FRB 20190520B detected from the Green Bank Telescope (GBT) that was used in the Anna-Thomas et al (2022) paper. This dataset contains both L-Band (1.4 GHz) and C-Band (6 GHz) bursts. The data is in pulse archive format, which can be read using the software suite PSRCHIVE or the package PyPulse. The L-band bursts are not calibrated. The C-Band bursts which has an extension .calib is calibrated for both flux and polarization and those which has an extension .calibP is only calibrated for polarization.

研究动机与目标

• 研究视线方向上重复快速射电暴 FRB 20190520B 的磁场结构与等离子体环境。
• 确定 FRB 20190520B 中观测到的高度可变法拉第旋转是否表明视线方向上平行于磁场分量的动态变化。
• 评估观测到的磁场反转的成因及其对 FRB 局部环境的影响，特别是与潜在双星伴星的关系。
• 约束导致法拉第旋转和去偏振的磁化等离子体屏的距离与物理条件。
• 检验 FRB 20190520B 周围的湍流磁化环境是否与来自双星伴星的恒星风一致，结合其高且可变的色散量和旋转量。

提出的方法

• 使用 100 米格林班克望远镜（GBT）在 L 波段（1.1–1.8 GHz）和 C 波段（4–8 GHz），以及帕克斯射电望远镜（Murriyang）配备超宽带低频接收机（UWL）对 FRB 20190520B 进行了为期 17 个月的偏振监测。
• 通过单个脉冲测量法拉第旋转量（RM）和旋转量弥散函数（RMSF），推断视线方向上磁场分布与电子密度分布。
• 利用标准公式计算色散量（DM）和旋转量（RM）：RM = (e³ / (2πmₑ²c⁴)) ∫ nₑ(l) B‖(l) dl，其中 B‖ 为视线方向的磁场分量。
• 分析多个历元下各脉冲的 RM 值，检测法拉第旋转符号的时间变化与反转现象。
• 将 1–3 GHz 以下的观测到的去偏振现象建模为在具有变化磁场分量的湍流磁化等离子体屏中发生的法拉第旋转。
• 利用观测到的 RM 变异性和去偏振特性，推断存在一个位于 FRB 源 10^{-5} 至 100 秒差距范围内的湍流磁化等离子体屏。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 17 个月的时间内，FRB 20190520B 中观测到的高度可变且符号反转的法拉第旋转是由什么引起的？
• RQ2 视线方向上等离子体环境的何种物理条件可解释在低射频（1–3 GHz）下观测到的去偏振现象？
• RQ3 观测到的磁场反转是否与 FRB 源附近的湍流磁化等离子体屏一致？如果是，其可能的起源是什么？
• RQ4 磁化场反转是否可由通过 FRB 源双星伴星的恒星风传播来解释？
• RQ5 测量得到的色散量和旋转量与宿主星系、星系际介质以及银河系前景的预期值相比如何？

主要发现

• FRB 20190520B 的法拉第旋转量（RM）在 17 个月的时间基线上发生两次符号反转，表明视线方向上的磁场分量发生了反转。
• RM 值在不同脉冲间显著变化，测量值范围约为 -600 至 +600 rad m⁻²，表明磁化等离子体环境存在强烈的时间变异性。
• FRB 在 1–3 GHz 以下频率表现出强烈的去偏振，与磁场方向在波束中变化的湍流等离子体屏中发生的法拉第旋转一致。
• 观测到的 RM 变异性和去偏振现象最合理的解释是：在 FRB 源 10^{-5} 至 100 秒差距范围内存在一个湍流磁化等离子体屏。
• 磁场反转与湍流环境与 FRB 穿越双星伴星恒星风的环境一致，为观测到的等离子体条件提供了合理的成因解释。
• 高且可变的 DM（宿主贡献 DM_host = 902⁺⁸⁸₋₁²⁸ pc cm⁻³）表明源附近存在致密磁化环境，支持存在一个紧凑且持续的射电辐射源及双星系统的存在。