[论文解读] Recurrent fast radio bursts from collisions of neutron stars in the evolved stellar clusters

V. I. Dokuchaev, Yu N Eroshenko|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 11

一句话总结

本文提出，重复性快速射电暴（FRB），如来自FRB 121102的FRB，起源于星系核内致密演化星族中中子星的多次近距离相遇与碰撞。该模型通过高度偏心的中子星双星系统多次近星点通过及最终并合解释多次爆发，其引力波辐射可被LIGO/Virgo或下一代探测器探测到。

ABSTRACT

We propose the model describing the observed multiple fast radio bursts due to the close encounters and collisions of neutron stars in the central clusters of the evolved galactic nuclei. The subsystem of neutron star cluster may originate in the dense galactic nucleus evolutionary in the combined processes of stellar and dynamical evolution. The neutron stars in the compact cluster can produce the short living binaries with the highly eccentric orbits, and finally collide after several orbital revolutions. Fast radio bursts may be produced during the close periastron approach and at the process of the final binary merging. In the sufficiently dense star cluster the neutron stars collisions can be very frequent. Therefore, this model can explain in principle the observed recurrent (multiple) fast radio bursts, analogous to the observed ones from the source FRB 121102. Among the possible observational signatures of the proposed model may be the registration of the gravitational wave bursts by the laser interferometers LIGO/VIRGO or by the next generation of gravitational wave detectors.

研究动机与目标

• 解释重复性FRB的物理起源，特别是FRB 121102观测到的多次爆发。
• 解决单次碰撞事件通常不重复的问题，提出一种实现重复性的机制。
• 证明演化星系核内的致密中子星星族可维持多次碰撞与FRB产生。
• 将该模型与可观测特征联系起来，包括中子星并合产生的引力波爆发。
• 提供一个动力学框架，说明高度偏心轨道的中子星双星如何在最终并合前产生多次FRB。

提出的方法

• 通过星族动力学与弛豫过程，在星系核内建模致密中子星星族的形成，受质量分离与动力学演化驱动。
• 使用双体弛豫 timescale 公式 $ t_r acksimeq rac{v^3}{4 au G^2 m^2 n heta} $，其中 $ heta = ext{ln}(0.4N) $，估算星族演化 timescale。
• 通过星族中的引力相互作用模拟高度偏心中子星双星的形成，导致多次近星点通过。
• 建模在近星点通过期间由于磁层重连与相互作用产生的FRB辐射，以及最终并合事件期间的辐射。
• 预测最终并合阶段的引力波辐射，可被LIGO/Virgo或下一代探测器探测。
• 考虑每次碰撞释放能量 $ ext{10}^{51} - ext{10}^{52} $ erg，可能与伽马射线暴或高能中微子源有关。

实验结果

研究问题

• RQ1 致密星族中的中子星多次碰撞能否解释FRB 121102等观测到的重复性？
• RQ2 演化星系核中的何种动力学机制可使单一源产生多次FRB事件？
• RQ3 中子星在近星点近距离通过期间的磁层相互作用如何产生多次FRB？
• RQ4 哪些可观测特征（如引力波爆发）可将此模型与单次事件FRB模型区分开来？
• RQ5 中子星碰撞释放的能量与辐射特征能否解释缺乏关联伽马射线暴的现象？

主要发现

• 致密、演化星系核星族中的中子星碰撞可因最终并合前的多次近星点通过而产生多次FRB。
• 星族中形成的高度偏心双星导致在数分钟内多次FRB事件，脉冲出现在每次近星点通过时。
• 最终并合事件产生一个强烈的FRB，同时伴随可探测的引力波爆发。
• 该模型预测，近星点通过产生的FRB较弱，且不伴随强烈的引力波信号。
• 由于相对论性火球及中心超大质量或恒星级黑洞的引力透镜效应，该系统也可能产生高能中微子。
• LIGO/Virgo或下一代探测器对引力波的探测为该模型提供了关键的观测检验。