[論文レビュー] An FRB Sent Me a DM: Constraining the Electron Column of the Milky Way Halo with Fast Radio Burst Dispersion Measures from CHIME/FRB

Amanda M. Cook, Mohit Bhardwaj+26 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、83件のCHIME/FRBによる高速電波バースト（FRB）の分散測定（DM）を用いて、のちに銀河の電離されたハローにおける電子密度の柱密度を制約した。|b| ≥ 30°の領域では、合計で87.8–141 pc cm⁻³の寄与が得られ、上限は52–111 pc cm⁻³であった。解析では調査の選択効果を考慮し、銀河ハローにDMギャップが存在する明確な証拠は得られず、中程度の電子密度プロファイルを支持するモデルと整合的であった。

ABSTRACT

The CHIME/FRB project has detected hundreds of fast radio bursts (FRBs), providing an unparalleled population to probe statistically the foreground media that they illuminate. One such foreground medium is the ionized halo of the Milky Way (MW). We estimate the total Galactic electron column density from FRB dispersion measures (DMs) as a function of Galactic latitude using four different estimators, including ones that assume spherical symmetry of the ionized MW halo and ones that imply more latitudinal-variation in density. Our observation-based constraints of the total Galactic DM contribution for $|b|\geq 30^\circ$, depending on the Galactic latitude and selected model, span 87.8 - 141 pc cm^-3. This constraint implies upper limits on the MW halo DM contribution that range over 52-111 pc cm^-3. We discuss the viability of various gas density profiles for the MW halo that have been used to estimate the halo's contribution to DMs of extragalactic sources. Several models overestimate the DM contribution, especially when assuming higher halo gas masses (~ 3.5 x 10^12 solar masses). Some halo models predict a higher MW halo DM contribution than can be supported by our observations unless the effect of feedback is increased within them, highlighting the impact of feedback processes in galaxy formation.

研究の動機と目的

• CHIME/FRBが検出した高速電波バースト（FRB）の分散測定（DM）を用いて、のちに銀河ハローの電子柱密度を推定すること。
• 調査の選択効果および全光度関数バイアスが、DMに基づくハロー制約に与える影響を評価すること。
• 観測されたFRBのDM分布と照らし合わせて、さまざまな電離ハロー密度プロファイルの妥当性を検証すること。
• 現在のデータが、銀河ハローにDMギャップが存在するのを支持しているかどうかを、検出効率と赤方偏移に依存する全光度閾値を考慮して特定すること。

提案手法

• 既知の赤方偏移とDMを持つCHIME/FRBパイプラインで検出された83件のFRBを用い、全DMに及ぼす銀河ハロー寄与を推定した。
• 球対称性を仮定する2つの推定器と、電子密度に経度方向の変化を許容する2つの推定器の合計4つの異なる推定器を適用した。
• 全光度関数にα = -1.0を仮定し、全光度関数と赤方偏移に依存する検出効率をモデル化することで、選択効果を補正した。低赤方偏移領域でのゼロ検出の尤度を評価するため、ポアソン統計を用いた。
• 赤方偏移領域z₁ ≈ 0.1とz₂ ≈ 0.3の間で検出効率が非一様であることを考慮し、観測された検出率（μ_v1 = 0.346, μ_v2 = 0.366）と全光度関数を用いた。
• 仮説の下で、ハローに物理的DMギャップがない場合の、領域1における予想される検出数を、検出効率比と赤方偏移スケーリングを用いて計算した。
• ポアソン確率P = exp(–N_det,v1)を用いて、領域1でゼロ件のFRBが観測される尤度を計算し、P = 0.24が得られた。これは、選択効果のみで説明可能であることを示唆している。

Figure 1: Total measured DM as a function of $\sin|b|$ for $|b|\geq 30^{\circ}$ for FRBs detected by CHIME/FRB with DM less than 250 pc cm -3 through February 2021. Non-repeating FRBs are represented with black triangles and repeating FRB sources represented with red triangles. Galactic sources, nam

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河ハローがFRBの分散測定（DM）に寄与する電子柱密度の合計は、|b| ≥ 30°の領域でどの程度か？
• RQ2 ハローの幾何学的仮定（球対称性対経度方向に変化のある密度）が、推定されるハローDM寄与にどのように影響するか？
• RQ3 調査の選択効果およびFRBの全光度関数バイアスが、観測されたDM分布に与える影響はどの程度で、潜在的なDMギャップを隠蔽する可能性があるか？
• RQ4 既存の電離ハロー電子密度プロファイルのモデルは、観測されたCHIME/FRBのDMデータと整合的か？
• RQ5 低赤方偏移領域（z₁ ≈ 0.1）でFRBが検出されないという観測結果は、既知の検出バイアスと統計的に整合的か、それともDM分布に物理的ギャップが存在する可能性を示唆するか？

主な発見

• |b| ≥ 30°の領域における、銀河ハローがFRBのDMに寄与する電子柱密度の合計は、モデルや経度に応じて87.8–141 pc cm⁻³の範囲に制約された。
• ハローDM寄与の上限は、仮定される電子密度プロファイルに応じて52から111 pc cm⁻³の間であった。
• ハローに物理的DMギャップがないという仮説の下で、低赤方偏移領域（z₁ ≈ 0.1）でゼロ件のFRBが検出される確率は24％であり、これは選択効果と体積バイアスによるものと整合的である。
• FRBが標準光源であると仮定すると、ゼロ検出の尤度が保守的に高めに見積もられることを示し、実際の検出率は推定値よりも高い可能性がある。
• 観測されたDM分布は、既存のハローモデルと整合的であるが、多くの一般的に用いられるプロファイルはハロー寄与を過大評価しており、再考された密度プロファイルの必要性を示唆している。
• 本研究では、銀河ハローにDMギャップが統計的に有意な証拠として検出されず、領域1での検出欠如は、主に検出感度と体積バイアスによるものであり、物理的FRB欠如とは無関係であると考えられる。

Figure 2: As for Figure 1 , but four simple boundary models of DM ${}_{\text{Gal}}$ are shown, which display the most conservative estimates supported by CHIME/FRBs extragalactic DM sample, using different fitting methods and polynomial degrees (see Section 4 for details). Additionally, the total ex