[论文解读] Multi-Wavelength Constraints on the Outflow Properties of the Extremely Bright Millisecond Radio Bursts from the Galactic Magnetar SGR 1935+2154

Shotaro Yamasaki, Kazumi Kashiyama+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 78被引用 9

一句话总结

本文研究了银河系磁星SGR 1935+2154的多波长辐射，提出毫秒射电爆发与异常硬X射线爆发同时发生，源于磁约束的火球和相对论喷流。结合光子逃逸条件与X射线与射电脉冲之间≤10 ms的时间延迟，研究发现喷流必须具有极低的重子含量（𝜂 ≳ 10⁴）或极高的磁化度（𝜎₀ ≳ 10³），表明此类明亮爆发发生的条件极为罕见。

ABSTRACT

Extremely bright coherent radio bursts with millisecond duration, reminiscent of cosmological fast radio bursts (FRBs), were co-detected with anomalously-hard X-ray bursts from a Galactic magnetar SGR 1935$+$2154. We investigate the possibility that the event was triggered by the magnetic energy injection inside the magnetosphere, thereby producing magnetically-trapped fireball (FB) and relativistic outflows simultaneously. The thermal component of the X-ray burst is consistent with a trapped FB with an average temperature of $\sim200$-$300$ keV and size of $\sim10^5$ cm. Meanwhile, the non-thermal component of the X-ray burst and the coherent radio burst may arise from relativistic outflows. We calculate the dynamical evolution of the outflow, launched with an energy budget of $10^{39}$-$10^{40}$ erg comparable to that for the trapped FB, for different initial baryon load $\eta$ and magnetization $\sigma_0$. If hard X-ray and radio bursts are both produced by the energy dissipation of the outflow, the outflow properties are constrained by combining the conditions for photon escape and the intrinsic timing offset $\lesssim10$ ms among radio and X-ray burst spikes. We show that the hard X-ray burst must be generated at $r_{ m X}\gtrsim10^{8}$ cm from the magnetar, irrespective of the emission mechanism. Moreover, we find that the outflow quickly accelerates up to a Lorentz factor of $10^2\lesssim\Gamma\lesssim10^3$ by the time it reaches the edge of the magnetosphere and the dissipation occurs at $10^{12}$ cm $\lesssim r_{ m radio,X}\lesssim10^{14}$ cm. Our results imply either extremely-clean ($\eta\gtrsim10^4$) or highly-magnetized ($\sigma_0\gtrsim10^3$) outflows, which might be consistent with the rarity of the phenomenon.

研究动机与目标

• 约束负责SGR 1935+2154同时发生硬X射线与相干射电爆发的相对论喷流的物理特性。
• 确定硬X射线爆发是否源自被束缚的火球，或源于相对论喷流中的能量耗散。
• 利用多波长的时序与谱学约束，推导喷流初始重子负载与磁化度的限制。
• 通过将喷流的极端特性（如高磁化度或低重子含量）与之关联，解释2020年4月28日事件的稀有性。
• 在观测到的射电与X射线爆发组分之间时间延迟≤10 ms的条件下，评估基于喷流的模型在解释射电与X射线辐射方面的可行性。

提出的方法

• 建模能量预算为10³⁹–10⁴⁰ erg的相对论喷流的动力学演化，变化初始重子负载𝜂与磁化度𝜎₀。
• 应用光子逃逸条件，约束硬X射线辐射可逃逸的半径，要求𝑟X ≳ 10⁸ cm。
• 利用观测到的射电与X射线爆发脉冲之间≤10 ms的时间延迟，约束喷流的能量耗散半径。
• 计算沿喷流路径的洛伦兹因子Γ与磁化度𝜎的演化，表明喷流在磁层边界处迅速加速至Γ ≳ 10²。
• 比较不同辐射机制：热X射线组分由被束缚火球产生，非热X射线与相干射电爆发则由喷流耗散产生。
• 利用紧凑性、快速冷却与截止频率标准，在不同喷流参数下，映射𝑛′ₑ–𝑟平面中的允许区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 导致X射线与射电爆发的相对论喷流的初始重子负载𝜂与磁化度𝜎₀受到哪些约束？
• RQ2 喷流的硬X射线辐射在何种半径处产生？这一半径如何依赖于辐射机制？
• RQ3 观测到的射电与X射线爆发脉冲之间≤10 ms的时间延迟能否由喷流耗散模型解释？
• RQ4 喷流的洛伦兹因子是否足以通过相干辐射机制产生观测到的射电辐射？
• RQ5 为何2020年4月28日的爆发事件如此稀有？极端喷流特性如何解释其稀少性？

主要发现

• 无论辐射机制如何，硬X射线爆发必须在距磁星𝑟X ≳ 10⁸ cm的半径处产生。
• 相对论喷流迅速加速，在抵达磁层边界时，洛伦兹因子达到10² ≲ Γ ≲ 10³。
• 导致X射线与射电爆发的能量耗散发生在半径10¹² cm ≲ 𝑟radio,X ≲ 10¹⁴ cm之间。
• 喷流必须具有初始重子负载𝜂 ≳ 6 × 10³或初始磁化度𝜎₀ ≳ 100，表明等离子体要么极为纯净，要么磁化度极高。
• 总重子质量的上限为𝑚𝑏 ≲ 1.8 × 10¹⁴ g，远小于历史巨耀发事件的估算值，相差多个数量级。
• 该事件的稀有性可能源于极端条件——极低重子负载或极高磁化度——使得此类喷流极为罕见。