Searching for links between energetic millisecond pulsars and repeating fast radio bursts

问题陈述
重复快速射电暴（FRB）20200120E 对标准 FRB 形成模型提出了挑战。其在 M81 系统内一个球状星团（GC）中的定位，与 FRB 起源于核心坍缩形成的年轻磁星的普遍假设相矛盾，因为球状星团通常包含古老的恒星种群。另一种假设认为，FRB 20200120E 可能是一颗发射巨脉冲（GPs）的再循环毫秒脉冲星（MSP）。然而，已知的银河系巨脉冲与河外 FRB 之间存在显著的亮度差距。为了检验 MSP 假设，有必要表征银河系中能量最高的已知 MSP——M28A（PSR B1821−24A），并确定其巨脉冲特征能否弥合与 FRB 20200120E 之间的差距，特别是在谱结构和潜在的窄带辐射方面。

方法论
作者利用配备超宽带低频（UWL）接收机的 64 米 Murriyang（Parkes）望远镜对 M28A 进行了观测。该设置提供了 3.3 GHz（704–4032 MHz）的瞬时带宽，时间分辨率为 2 $\mu$s，频率分辨率为 4 MHz。2022 年进行了三次观测（O1、O2、O3），总积分时间约为 8.77 小时。

分析流程包括：

1. 数据处理： 将原始数据转换为滤波器组格式，进行相干消色散（DM $\approx$ 119.9 pc cm$^{-3}$），并折叠生成平均脉冲轮廓。
2. 巨脉冲（GP）探测： 使用 PRESTO 和机器学习分类器 FETCH 的改进单脉冲搜索流程来识别候选体。搜索在全频段进行，并通过子带搜索（将频带划分为不同宽度的重叠子带）进行，以检测在全频段搜索中可能被稀释的潜在窄带爆发。
3. 表征： 作者分析了 GP 的持续时间、各向同性谱光度、能量分布（通过信噪比分布）、等待时间分布、色散量（DM）变化以及谱结构（包括用于去相关带宽和散射时间尺度的自相关函数分析）。

主要贡献

• 宽带表征： 本研究首次对 M28A 的 GP 进行了 3.3 GHz 瞬时宽带分析，显著扩展了以往仅限于 0.8 GHz 的观测。
• 子带搜索： 作者实施了严格的子带搜索，专门测试是否存在窄带 GP（$\lesssim$200 MHz），这与 FRB 20200120E 爆发的窄带特性相关。
• 比较分析： 本文利用目前可用的最大样本的 FRB 20200120E 爆发，提供了 M28A 的 GP 特性与 FRB 20200120E 观测特征之间的直接、详细比较。

结果

• 探测： 探测到约 156 个信噪比（S/N）大于 7.0 的 GP。平均探测率约为 $\sim$18 hr$^{-1}$。
• 谱结构：
  • 在 3.3 GHz 全频段内未探测到真正的窄带 GP（即局限于 $\lesssim$200 MHz 的孤立爆发）。
  • 然而，GP 的频谱经常表现出带宽约为 $\sim$100 MHz 的“岛屿”或亮斑。如果以较小的带宽观测，这些亮斑可能呈现为孤立的窄带特征，从而模仿 FRB 20200120E 爆发的外观。
  • 最亮的 GP 跨越整个 3.3 GHz 带宽，表现出具有复杂、斑驳结构的宽带频谱。
  • 最亮 GP 的谱指数较陡（$\alpha \sim 1.3 - 1.5$），尽管有些显示出较平的频谱。
• 时间和统计特性：
  • 持续时间： GP 的本征持续时间 $\lesssim$2 $\mu$s（与以往研究一致），这比 FRB 20200120E 爆发（50–100 $\mu$s）短约 50 倍。
  • 光度： M28A GP 的各向同性等效谱光度约为 $\sim$10$^{23}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$，比 FRB 20200120E（$\sim$10$^{28}$ erg s$^{-1}$ Hz$^{-1}$）低约 10$^5$ 倍。
  • 周期性： M28A GP 严格发生在两个狭窄的旋转相位窗口内（泊松等待时间分布），而 FRB 20200120E 没有显示出明显的周期性。
  • DM 变异性： 两个源都显示出极小的 DM 变异性（数月内 $\Delta$DM $<$ 0.15 pc cm$^{-3}$）。
  • 能量分布： 两个源都表现出陡峭的幂律能量分布（M28A 的指数约为 1.8，FRB 20200120E 的指数约为 2.4）。

意义与主张
基于观测特征，该研究得出结论：高能银河系 MSP M28A 与重复 FRB 20200120E 之间没有强关联。作者强调了显著的差异：

1. M28A GP 的光度低几个数量级，且持续时间显著更短。
2. M28A GP 具有严格的周期性，而 FRB 20200120E 则没有。
3. M28A GP 通常是宽带的，而 FRB 20200120E 爆发主要是窄带的（尽管 M28A 确实显示出窄带谱岛）。

然而，作者谦逊地表示，他们不能排除FRB 20200120E 是一种罕见的、独特的、在银河系中没有类似物的 MSP 的可能性。他们推测，M28A GP 中观测到的窄带岛屿可能是产生 FRB 20200120E 的同一物理机制的表现，只是尺度不同。该论文提出，对 M28A 进行数百至数千小时的高频率监测，可能会揭示罕见的、极高光度的脉冲，从而弥合能量差距；如果探测到此类事件，可能会支持 MSP 假设。