[论文解读] Optical Transients from Fast Radio Bursts Heating Companion Stars in Close Binary Systems

Yuan-Pei Yang|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 82被引用 6

一句话总结

本文提出，快速射电暴（FRB）对近距离双星系统中伴星的加热作用，可通过再辐射产生可观测的光学暂现源。对于轨道周期数天的类太阳伴星，再辐射发生在光学波段，光度约为太阳光度的数倍，持续时间约100秒，且在FRB后延迟约10秒，使得此类暂现源在未来对银河系FRB源的多波段后续观测中可被探测到。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are bright radio transients with short durations and extremely high brightness temperatures, and their physical origins are still unknown. Recently, a repeating source, FRB 20200120E, was found in a globular cluster in the very nearby M81 galaxy. The associated globular cluster has an age of $\sim9.13~{ m Gyr}$, and hosts an old population of stars. In this work, we consider that an FRB source is in a close binary system with a low-mass main sequence star as its companion. Due to the large burst energy of the FRB, when the companion star stops the FRB, its surface would be heated by the radiation-induced shock, and make re-emission. For a binary system with a solar-like companion star and an orbital period of a few days, we find that the re-emission is mainly at optical band, and with delays of a few seconds after the FRB. Its luminosity is several times larger than the solar luminosity, and the duration is about hundreds of seconds. Such a transient might be observable in the future multiwavelength follow-up observation for Galactic FRB sources.

研究动机与目标

• 研究FRB辐射是否能加热近距离双星系统中伴星，并产生可观测的多波段对应体。
• 模拟由于辐射驱动激波和压力引起的加热恒星表面的再辐射过程。
• 估算利用当前和未来望远镜探测此类光学暂现源的可能性。
• 评估在银河系FRB系统与星系际FRB系统中探测此类暂现源的可能性。
• 探讨对FRB起源模型的启示，特别是结合在古老恒星环境（如球状星团）中发现的重复FRB。

提出的方法

• 利用各向同性能量 EFRB ≈ 10^39 erg 和脉冲持续时间 ∆tFRB ≈ 1 ms，建模FRB辐射压对伴星的作用。
• 通过轨道几何和光传播时间计算FRB发射与再辐射之间的时延：tdelay ≈ (a cos i)/c，其中 a 由开普勒第三定律推导得出。
• 通过能量沉积和光球层热化过程计算再辐射光度，假设为黑体辐射。
• 利用洛希瓣几何结构判断伴星是否充满其临界体积，从而影响再辐射效率和持续时间。
• 基于极限星等（如 mlim = 20–25 mag）和距离标度（当 mlim = 25 mag 时，d ~ 0.7–71 kpc）估算探测阈值。
• 通过立体角比较评估FRB光束击中伴星的概率：p ∼ (∆Ω_companion + ∆Ω_FRB)/4π，其中 ∆Ω_companion 由恒星半径和分离距离推导得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB辐射是否能加热近距离双星系统中低质量主序星伴星的表面，从而产生可探测的光学再辐射？
• RQ2 对于典型的FRB和双星参数，此类光学暂现源的预期光度、持续时间和时延是多少？
• RQ3 这些光学暂现源在当前光学暂现巡天中可探测到的程度如何，特别是针对银河系FRB源？
• RQ4 FRB光束击中伴星的概率如何随轨道倾角和系统几何结构变化？
• RQ5 周期性FRB活动（如FRB 180916B）是否可由双星轨道调制解释，这是否会提高探测光学对应体的可能性？

主要发现

• 对于轨道周期为1天的类太阳伴星，再辐射光度约为太阳光度的10倍（L ≈ 10^39 erg s⁻¹）。
• 光学暂现源的持续时间约为100秒，时延约12秒，具体取决于轨道倾角和分离距离。
• 在3.6 Mpc距离（如FRB 20200120E）下，暂现源的AB星等为 mAB ≈ 28.5 mag，当前仪器无法探测。
• 对于距离约10 kpc的银河系FRB，暂现源的视星等为 mAB ≈ 15.8 mag，处于视星等 mlim ≈ 20–25 mag 的光学暂现巡天探测范围内。
• 光学耀发的探测概率取决于光束几何结构：对于非洛希瓣填充的恒星，p ≈ 0.01 R₀,⊙ P⁻⁴/³ day；对于洛希瓣填充的恒星，p ≈ 0.07 P²/³ day，轨道越宽，探测概率越高。
• 若无线电发射分数ξ小于假设值（如FRB 200428中ξ ~ 10⁻⁵），加热效应可能更强，导致光学暂现源比估算更明亮。