[論文レビュー] Chromatic periodic activity down to 120 MHz in a Fast Radio Burst

Inés Pastor-Marazuela, Liam Connor+35 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 61被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、FRB 20180916Bの同時ApertifおよびLOFAR観測を用いて、120 MHzまで到達する最初の色分け周期的活動の検出を報告する。爆発は高周波数でより狭く、かつ早期の活動窓を示しており、これは二重星風相互作用モデルと矛盾する。また、低周波数放射が局所的媒体を脱出可能であることを示しており、一部のFRBがクリーンな環境に存在することを示唆する。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are extragalactic astrophysical transients whose brightness requires emitters that are highly energetic, yet compact enough to produce the short, millisecond-duration bursts. FRBs have thus far been detected between 300 MHz and 8 GHz, but lower-frequency emission has remained elusive. A subset of FRBs is known to repeat, and one of those sources, FRB 20180916B, does so with a 16.3 day activity period. Using simultaneous Apertif and LOFAR data, we show that FRB 20180916B emits down to 120 MHz, and that its activity window is both narrower and earlier at higher frequencies. Binary wind interaction models predict a narrower periodic activity window at lower frequencies, which is the opposite of our observations. Our detections establish that low-frequency FRB emission can escape the local medium. For bursts of the same fluence, FRB 20180916B is more active below 200 MHz than at 1.4 GHz. Combining our results with previous upper-limits on the all-sky FRB rate at 150 MHz, we find that there are 3-450 FRBs/sky/day above 50 Jy ms at 90% confidence. We are able to rule out the scenario in which companion winds cause FRB periodicity. We also demonstrate that some FRBs live in clean environments that do not absorb or scatter low-frequency radiation.

研究の動機と目的

• 300 MHz未満のFRB 20180916Bからの低周波数放射を検出すること。ここまでの検索では失敗していた。
• 広帯域（120–1520 MHz）におけるFRB 20180916Bの周期的活動の色分け行動を調査すること。
• 二重星風相互作用モデルが観測された周期性および周波数依存の活動窓を説明できるかどうかを検証すること。
• 新規検出と過去の上限値を組み合わせて、150 MHzにおける全天FRB率を制約すること。
• 低周波数における分散測定値と散乱時間スケールの分析を通じて、FRB 20180916Bのイオン化環境を評価すること。

提案手法

• FRB 20180916Bの複数の活動サイクルにわたる同時観測を、Westerbork合成電波望遠鏡に搭載されたApertifシステム（1220–1520 MHz）とLOFAR（110–190 MHz）を用いて実施した。
• LOFARの爆発に対して、信号対雑音比（S/N）を最大化する分散測定値（DM）をPsrchiveソフトウェアで計算し、その後、ν⁻²遅延モデルを用いてサブ爆発を整合させる補正を施した。
• サブ爆発プロファイルに多成分ガウスフィッティングルーチンを適用し、ドリフトレートを測定した。最小二乗法を用いてサブパルスの重心とその周波数-時間的変化を特定した。
• S/N > 20の爆発の平均を用いて、LOFAR用の最終的なDMを算出し、DM_LOFAR = 349.00 ± 0.02 pc cm⁻³を得た。
• 400 MHzおよび600 MHzでの観測ドリフトレートをべき乗則および線形関数にフィットし、LOFAR周波数へ外挿した。
• 分散補正後のLOFAR爆発をスタックしてS/Nを向上させ、平均的な散乱時間スケールを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 120 MHzまでの周波数でFRB放射が検出可能であり、周期的活動を示すか？
• RQ2 FRB 20180916Bの活動窓は周波数に応じてどのように変化するか？また、二重星風相互作用モデルの予測と一致するか？
• RQ3 低周波数におけるFRB 20180916Bの分散測定値は何か？高周波数測定値と比較するとどうなるか？
• RQ4 1.4 GHzにおけるFRB 20180916Bのサブパルスドリフトレートは何か？周波数に応じてどのように変化するか？
• RQ5 新規検出と過去の上限値を組み合わせることで、150 MHzにおける全天FRB率にどのような制約を課せるか？

主な発見

• LOFARでは120–190 MHzで9件の爆発が検出され、300 MHz未満でのFRB放射の最初の検出を達成した。
• FRB 20180916Bの活動窓は、高周波数でより狭く、かつ早期に現れる。これは二重星風相互作用モデルの予測とは逆である。
• LOFARの分散測定値は349.00 ± 0.02 pc cm⁻³であり、k_DM値を同一に補正した場合、ApertifのDM（348.75 pc cm⁻³）と整合的である。
• 1370 MHzにおける平均サブパルスドリフトレートは-39 ± 7 MHz ms⁻¹であり、標準偏差は31 MHz ms⁻¹であった。
• 150 MHzへの外挿により、ドリフトレートは約-6 MHz ms⁻¹であると推定されたが、LOFARデータには明確なサブパルス構造が観測されず、この推定を確認することはできなかった。
• 低周波数爆発の検出は、自由自由吸収や強い散乱が低周波数放射を遮断する状況を排除しており、FRB 20180916Bがクリーンな環境に存在することを示唆している。