[论文解读] Similar behaviors between FRB 121102 and solar type III radio bursts

G.Q. Zhang, Zi-Gao Dai+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出，重复快速射电暴 FRB 121102 与太阳类型 III 射电 burst 具有基本相同的统计行为——能量、通量、持续时间及等待时间均呈现幂律分布，表明它们可能源自自组织临界性系统中的类似级联动力学。研究结果支持重复 FRB 源于磁星磁层中由磁重联驱动的相干射电辐射。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are bright milliseconds radio transients with large dispersion measures (DMs), and can be used as potential astrophysical and cosmological tools. Many models for FRB progenitors have been proposed. However, none of them can explain all the observational properties, meaning that FRBs remain one of the most intriguing mysteries in astronomy. The statistical properties of radio bursts can unveil the underlying physics. Here, we report statistical results of the repeating FRB 121102, and show that FRB 121102 and solar type III radio bursts share four statistical properties: power-law frequency distributions for energies, fluxes, durations and waiting times. All of the distributions can be explained by avalanche models of self-organized criticality (SOC) systems. It is well known that solar type III radio burst arises from the nonlinear conversion of Langmuir waves generated by two-stream instability of electron beams, which are accelerated by bursty magnetic reconnections. The similarities support that repeating FRBs are coherent emissions from magnetic-reconnection-driven beams in the magnetospheres of magnetars.

研究动机与目标

• 研究重复 FRB 121102 与太阳类型 III 射电爆发之间的统计相似性。
• 确定共享的统计特性是否暗示共同的物理起源。
• 检验观测到的分布是否与自组织临界性（SOC）模型一致。
• 探讨这些相似性对理解 FRB 前体机制的启示。

提出的方法

• 对 FRB 121102 爆发特性（包括能量、通量、持续时间及等待时间）进行统计分析。
• 将 FRB 121102 的幂律分布与太阳类型 III 射电爆发的分布进行比较。
• 应用自组织临界性（SOC）理论中的级联模型，以解释观测到的幂律行为。
• 利用已知的太阳物理机制——通过间歇性磁重联加速电子束并激发朗道尔波——为 FRB 模型提供依据。
• 基于与太阳现象的统计类比，推断磁星磁层中的物理机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 重复 FRB 121102 与太阳类型 III 爆发在能量、通量、持续时间及等待时间方面是否表现出相似的统计分布？
• RQ2 FRB 121102 中观测到的幂律分布能否由自组织临界性（SOC）系统解释？
• RQ3 磁层中何种物理机制可产生此类统计相似性？
• RQ4 在太阳与 FRB 情境下，磁重联与相干射电辐射之间是否存在因果关联？

主要发现

• FRB 121102 与太阳类型 III 射电爆发在爆发能量、通量、持续时间及等待时间方面均表现出幂律分布。
• FRB 121102 的统计分布与自组织临界性（SOC）系统中的级联动力学一致。
• 统计行为的相似性表明存在涉及电子束与相干射电辐射的共同底层物理机制。
• 研究结果支持重复 FRB 源于磁星磁层中由磁重联驱动的电子束。
• 已知由双流不稳定性及朗道尔波非线性转换产生的太阳类型 III 爆发，为 FRB 辐射过程提供了物理类比。