[論文レビュー] Deep Synoptic Array science: a 50 Mpc fast radio burst constrains the mass of the Milky Way circumgalactic medium

Vikram Ravi, Morgan Catha+22 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 12

ひとこと要約

DSA-110はFRB 20220319Dを50 Mpcの近傍の棒渦巻銀河へ局在化し、DMモデリングと宿主環境解析を用いて銀河系のCGM質量に対して保守的な上限を設定し、M_CGM < 1e11 solar massesを示唆する。

ABSTRACT

We present the Deep Synoptic Array (DSA-110) discovery and interferometric localization of the so far non-repeating FRB 20220319D. The FRB originates in a young, rapidly star-forming barred spiral galaxy, IRAS 02044$+$7048, at just 50 Mpc. Although the NE2001 and YMW16 models for the Galactic interstellar-medium (ISM) contribution to the DM of FRB 20220319D exceed its total observed DM, we show that uncertainties in these models accommodate an extragalactic origin for the burst. We derive a conservative upper limit on the DM contributed by the circumgalactic medium (CGM) of the Milky Way: the limit is either 28.7 pc cm$^{-3}$ and 47.3 pc cm$^{-3}$, depending on which of two pulsars nearby on the sky to FRB 20220319D is used to estimate the ISM DM. These limits both imply that the total Galactic CGM mass is $&lt;10^{11}M_{\odot}$, and that the baryonic mass of the Milky Way is $\lesssim60\%$ of the cosmological average given the total halo mass. More stringent albeit less conservative constraints are possible when the DMs of pulsars in the distant globular cluster M53 are additionally considered. Although our constraints are sensitive to possible anisotropy in the CGM and to the assumed form of the radial-density profile, they are not subject to uncertainties in the chemical and thermal properties of the CGM. Our results strongly support scenarios commonly predicted by galaxy-formation simulations wherein feedback processes expel baryonic matter from the halos of galaxies like the Milky Way.

研究の動機と目的

• 近傍のFRBの確実な外銀系起源を用いて銀河系CGM質量の制約を動機づける。
• 地域的な不確実性を踏まえ、FRB DMが銀河ISMモデル（NE2001, YMW16）とどの程度整合するかを評価する。
• sightlineに沿うDM_ISMを制限するために、FRB DM情報とパルサーおよびHαに基づくISM/DM代理指標を組み合わせる。
• 銀河のバリオン含量とCGMのフィードバック関連質量に対する含意を推定する。
• 宿主ガラケ環境とFRBの局在化がCGM質量推定に与える情報を評価する。

提案手法

• DSA-110でFRB 20220319Dを観測し、電圧データをコヒーレントに組み合わせて正確な局在を得る。"
• デコンvolveと画像化を行い、90%信頼楕円を導出し、バースト特性（DM、フルエンス、RM、スペクトル）を測定する。
• 観測DMを銀河ISMモデルの予測（NE2001, YMW16）と近傍パルサーのDMと比較して、外部銀河起源を評価する。
• 視線に沿うDM_ISM推定値を検証するために、球状星団パルサーとHα放出量を用いてDM_ISMを横断的に検証する。
• FRB宿主環境を分光分析、ProspectorによるSEDフィッティング、星形成指標を通じて特徴づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近傍の確実な宿主同定を持つFRBはDM寄与を介して銀河系CGM質量を制約できるか。
• RQ2 銀河ISMモデルと近傍パルサーのDMは、FRB 20220319Dが観測DMにもかかわらず第外部銀河であることを許容するか。
• RQ3 この sightline に沿う銀河系CGMが寄与する保守的な上限DMはどれほどで、M_CGMおよびMWの宇宙論的平均に対するバリオン分率に何を意味するか。
• RQ4 FRB宿主ガラケ環境は、MW似た銀河のCGM質量とフィードバック過程の解釈にどのような情報を提供するか。

主な発見

• FRB 20220319DはIRAS 02044+7048とz=0.0111に関連付けられ（距離約50 Mpc）、DM_obs = 110.95 pc cm^-3。
• DM_CGMの保守的な上限は28.7 pc cm^-3または47.3 pc cm^-3で、近傍のどのパルサーのIS情DMを用いるかによって異なる。
• これらの上限はM_CGM < 1e11 Msunを意味し、MWのバリオン質量分率は仮定したハロー質量に対して宇宙論的平均の≲60%程度。
• 遠方の球状星団M53のパルサーのDMを含めると、より厳格で保守的でない制約が可能。
• 結果は、MWのようなハローからのバリオン質量を排出するフィードバックを伴う銀河形成シミュレーションを支持する。
• DMに基づくCGM制約はCGMの異方性や径方向密度プロファイル仮定に対して頑健であることを示す。