[論文レビュー] Dispersion measures of fast radio burst host galaxies derived from IllustrisTNG simulation

G. Q. Zhang, Hai Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、イリュージスTNG宇宙論的シミュレーションを用いて、速い電波バースト（FRB）の宿主銀河からの分散測定値（DM）をモデル化し、繰り返し発生するFRBと非繰り返しFRBの両方の赤方偏移に依存するDM分布を導出する。FRB 121102に類似した宿主銀河では中央値DM_host ≈ 35(1+z)^1.08 pc cm⁻³、FRB 180916に類似した宿主銀河では ≈ 96(1+z)^0.83 pc cm⁻³ であり、非繰り返しFRBでは中央値DM_host ≈ 33(1+z)^0.84 pc cm⁻³ となる。これらはすべて、赤方偏移推定に適した対数正規分布でよく適合される。

ABSTRACT

We calculate the dispersion measures (DMs) contributed by host galaxies of fast radio bursts (FRBs). Based on a few host galaxy observations, a large sample of galaxy with similar properties to observed ones has been selected from the IllustrisTNG simulation. They are used to compute the distributions of host galaxy DMs for repeating and non-repeating FRBs. For repeating FRBs, we infer the DM$ _{\mathrm{host}} $ for FRBs like FRB 121102 and FRB 180916 by assuming that the burst sites are tracing the star formation rates in host galaxies. The median DM$_{\mathrm{host}}$ are $35 (1+z)^{1.08}$ and $96(1+z)^{0.83}$ pc cm$^{-3}$ for FRBs like FRB 121102 and FRB 180916, respectively. In another case, the median of DM$_{\mathrm{host}}$ is about $30 - 70$ pc cm$^{-3}$ for non-repeating FRBs in the redshift range $z=0.1-1.5$, assuming that the burst sites are the locations of binary neutron star mergers. In this case, the evolution of the median DM$_{\mathrm{host}}$ can be calculated by $33(1+z)^{0.84}$ pc cm$^{-3}$. The distributions of DM$_{\mathrm{host}}$ of repeating and non-repeating FRBs can be well fitted with the log-normal function. Our results can be used to infer redshifts of non-localized FRBs.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションを用いて、FRB宿主銀河が寄与する分散測定値（DM）の分布を特定すること。
• 観測されたFRB宿主の性質に基づいて宿主DM寄与をモデル化し、非局所化FRBの赤方偏移を推定すること。
• 異なる物理的仮定の下で、繰り返し発生するFRB（例：FRB 121102、FRB 180916）と非繰り返しFRBのDM宿主分布を比較すること。
• 宿主銀河の星の質量および星形成率の選択基準の変化に対して、結果の頑健性を評価すること。

提案手法

• 観測されたFRB宿主（例：星の質量、星形成率）の性質と一致する銀河をイリュージスTNGシミュレーションから選別し、統計的分析に用いる。
• 繰り返しFRBでは星形成率（SFR）に従ってFRBバースト発生位置をシミュレートし、非繰り返しFRBでは二重中性子星合体位置を想定する。
• 宿主銀河のガスおよび星成分に沿った視線方向の電子密度を統合することでDM_hostを計算する。
• 離散的な赤方偏移間の線形補間を用いて、中間赤方偏移におけるDM_hostを推定する。
• モンテカルロシミュレーションを用いてモックFRBサンプルを生成し、最尤推定法を用いて擬似赤方偏移を導出する。
• DM_host分布を対数正規関数でフィットさせ、宇宙論的応用のための統計的推論を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 繰り返し発生するFRB（例：FRB 121102）の宿主銀河DMの期待分布は、赤方偏移z = 0.1から1.5の範囲でどのように変化するか？
• RQ2 非繰り返しFRBが二重中性子星合体に起因すると仮定した場合、宿主DM分布はどのように異なるか？
• RQ3 星の質量および星形成率の範囲などの選択基準が、導出されたDM_host分布にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 シミュレートされたDM_host分布を用いて、非局所化FRBの赤方偏移を正確に推定できるか？
• RQ5 シミュレートされたDM_host分布は、局所化FRBからの観測的制約とどの程度一致するか？

主な発見

• FRB 121102に類似した宿主銀河の中央値DM_hostは、赤方偏移z = 0.1から1.5の範囲で35(1+z)^1.08 pc cm⁻³ に従って変化する。
• FRB 180916に類似した宿主銀河の中央値DM_hostは96(1+z)^0.83 pc cm⁻³ に従い、より質量が大きく星形成が活発な宿主に起因する高い固有DMを反映している。
• 非繰り返しFRBでは、バースト発生位置が二重中性子星合体位置を追跡する場合、中央値DM_hostは33(1+z)^0.84 pc cm⁻³ に従う。
• 繰り返しFRBおよび非繰り返しFRBの両方のDM_host分布は、対数正規関数でよく記述できる。
• 最尤推定法は、シミュレートされたFRBの入力赤方偏移分布を正確に回復でき、擬似赤方偏移推定のための手法の妥当性を裏付けている。
• 星の質量および星形成率の範囲を狭くした場合でも、DM_host分布は類似した結果を示し、結果の頑健性が確認された。