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厦门大学天文学系顾为民教授组发现重复快速射电暴和非重复快速射电暴在统计上存在差异

快速射电暴(Fast Radio Burst,简称FRB)是神秘的河外毫秒射电爆发,其产生机制尚不清楚。依据被探测到的爆发次数,快速射电暴可分为重复快速射电暴(观测到两次及以上爆发)和非重复快速射电暴(目前只观测到一次爆发)。对于重复暴,提出的模型包括中子星和白矮星双星系统模型等复发模型;对于非重复暴,提出的模型包括超大质量中子星坍缩形成黑洞等灾变模型。因此,重复暴和非重复暴应该具有不同的爆发特性和能谱特征。这些差异在观测上得到了证实,如重复暴比非重复暴具有更长的爆发脉冲持续时间等。这些预言值得观测进一步检验。

在此工作中,我们利用CHIME/FRBthe Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment Fast Radio Burst Project)最新公布的数据表(Catalog 1)来进行关于快速射电暴分类的研究。Catalog 1包含了从2018725日至201971日观测到的492个独立的快速射电暴源,其中包括474个非重复暴和18个重复暴(共62次爆发)。由于这些快速射电暴来源于相同的观测搜索模式,可以用统一的选择效应来测量爆发特性。因此,这个样本是目前探索快速射电暴统计特性的最理想选择。由于Catalog 1中重复暴和非重复暴的光度距离分布存在着差异,在我们去分析两类暴的峰值光度分布时,无法确定峰值光度分布的差异是固有的(物理机制的差异)还是因为距离的差异所导致的(峰值光度与光度距离的二次方成正比)。因此,我们利用蒙特卡洛方法去构建假样本来研究这种差异是否真实存在。在假样本中,我们确保两类快速射电暴具有相同的距离分布。我们推测,在控制样本具有相同的距离分布后,如果重复暴和非重复暴的物理机制相似,那么重复暴所有爆发的峰值光度分布应该与非重复暴所有爆发的峰值光度分布相同。我们利用K-SA-D检验比较这两类假样本在峰值光度分布上的差异。如果检验方法的P值小于0.05,那可以说明比较的两个样本在统计上是存在差异的。对于我们所获得的两类假样本(如图1),在两种检验方法下都显示P值小于0.001。因此,我们认为,快速射电暴应该存在两种不同的种类,即重复暴和非重复暴,这两类暴在峰值光度分布上的差异应该是固有的,即产生两类快速射电暴的物理机制存在差异。

为了证实重复暴是否具有子类,我们分析了三个活跃的重复暴(FRBs 20121102A,20180916B20201124A)的等待时间的分布以探究其是否在物理机制上存在差异。等待时间指的是探测到的相邻两次爆发之间的时间间隔。我们利用了不同的累积分布函数对这三个活跃重复暴的等待时间分布进行拟合,证实了三个重复暴应该具有不同的物理机制(如图2)。这些可能的分类有待后续得到更多的数据来检验。

本研究工作以“One-off and Repeating Fast Radio Bursts: A Statistical Analysis”为题,已被ApJ接受发表,论文第一作者为博士研究生陈浩严,合作者为伊团博士后,通讯作者为顾为民教授和孙谋远副教授。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

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1:峰值光度(左)和固有的爆发持续时间(右)的概率密度分布。黑线表示重复暴样本,红线表示非重复暴样本。阴影区域表示分布的置信区间。

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2:三个活跃重复暴的等待时间分布。上子图展示的是等待时间的概率密度分布,下子图展示的是等待时间的累积分布函数。