[論文レビュー] Fast Radio Burst Tomography of the Unseen Universe

Vikram Ravi, Nicholas Battaglia+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 68被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、10,000個以上の高速電波パulses（FRB）を用いて、銀河周囲、銀河団内、および銀河間媒体に存在する見えないバリオン物質をマッピングする宇宙トモグラフィーの手法を提案する。FRBの分散測定（DM）と時間遅れを測定することで、電子密度の縦断的密度を直接追跡でき、暗黒物質モデルの検証が可能となり、複雑なシミュレーションに依存せずに宇宙のバリオンの統計的集計が可能となる。

ABSTRACT

The discovery of Fast Radio Bursts (FRBs) at cosmological distances has opened a powerful window on otherwise unseen matter in the Universe. In the 2020s, observations of $>10^{4}$ FRBs will assess the baryon contents and physical conditions in the hot/diffuse circumgalactic, intracluster, and intergalactic medium, and test extant compact-object dark matter models.

研究の動機と目的

• 低赤方偏移宇宙における宇宙バリオンの分布を直接測定することで、欠落バリオン問題を解決すること。
• 冷たい雲やコンactな暗黒物質対象の存在を含めた、銀河周囲媒体（CGM）の物理的状態と構造を調査すること。
• FRBの分散測定と宇宙マイクロ波背景（CMB）マップとの相互相関を用いて、銀河間および銀河団内媒体をマッピングすること。
• FRB起源メカニズムのモデルに依存せずに、統計的FRB調査を活用して宇宙論的検証を可能にすること。
• FRBの時間遅れを用いて銀河間プラズマおよび重力レンズ効果を検出し、宇宙の大規模構造を調べること。

提案手法

• extragalactic視線に沿った全線密度を定量化するため、FRBの分散測定（DM）を用いる。
• アーキテクチャの秒級局在化FRB赤方偏移と、ハイスペクトルの赤方偏移を組み合わせ、主星系のISM、CGM、ICM、IGMからの寄与を分離する。
• 銀河からのインパクトパラメータのビンにFRBサンプルをスタックすることで、CGMの半径方向電子密度プロファイルを再構築する。
• CMBマップとDMを相互相関させることで、宇宙網における熱的サンヤエフ＝ツェルドビッチ効果に起因する電子散乱光学厚さを測定する。
• プラズマおよび重力レンズ効果に起因するサブミリ秒時間遅れを用いて、小スケール構造を調査し、コンパクト対象型暗黒物質モデルを検証する。
• 今後10年間で広視野電波望遠鏡を用いた新規調査を活用し、10^4～10^6個のFRBを収集することで、大規模なバリオン分布に関する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 赤方偏移z ≤ 2の範囲で、銀河間、銀河ハロー、および銀河間媒体にバリオンがどのように分布しているか？
• RQ2 パーセクスケールでCGMの構造と電子密度プロファイルはどのようなものか？また、その中に冷たい雲が存在するか？
• RQ3 FRBの時間遅れは、プラズマおよび重力レンズ効果を明らかにでき、宇宙網および暗黒物質の新しいプローブを可能にするか？
• RQ4 宇宙論的シミュレーションに依存せずに、FRBのDMが低赤方偏移宇宙における欠落バリオンをどの程度まで説明できるか？
• RQ5 FRB伝搬効果から推定される外部銀河の星間媒体の物理的状態は、のMilky Wayのものとどのように異なるか？

主な発見

• わずか10^1～10^2個の赤方偏移が分かっている秒級局在FRBがあれば、銀河周囲媒体の存在を統計的に検出でき、Ω_bへの寄与を測定できる。
• インパクトパラメータのビンに10^2～10^3個のアーキテクチャの分類されたFRBをスタックすることで、CGMの半径方向電子密度プロファイルを測定可能である。
• 約10^4個のFRBとCMBマップの相互相関により、現在のところ達成できないより高い赤方偏移で、熱的サンヤエフ＝ツェルドビッチ効果を調査可能である。
• FRBのDMは、IGM、CGM、ICMに存在する高温で拡散したバリオンの分布を、詳細な光化学的シミュレーションを要せず直接追跡できる。
• 銀河間レンズ効果に起因するサブミリ秒時間遅れを用いることで、プラズマ屈折および重力レンズ効果を検出し、大規模構造に関する新たな制約が得られる。
• 本手法はFRB起源メカニズムの不確実性に対して頑健であるため、宇宙論およびバリオン構造の強力な独立プローブである。