[論文レビュー] Fast Radio Bursts as Probes of Magnetic Fields in Filaments of Galaxies

Takuya Akahori, Dongsu Ryu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、測定済みの分散測定値（DM）およびファラデー回転測定値（RM）を持つ高速電波パulses（FRB）を用いて、宇宙のフィラメントにおける銀河間磁場（IGMF）を調べる手法を提案する。銀河団を通過するFRBを除外することで、フィラメント内の線形視線方向IGMF強度は $ B_{||} \approx C(\langle 1+z \rangle / f_{\text{DM}})(\text{RM}/\text{DM}) $ と推定され、ここで $ C $ は定数であり、$ \langle 1+z \rangle $ と $ f_{\text{DM}} $ は宇宙論およびDMから導出可能であり、シミュレーションによりこの推定式がフィラメント内での真の密度加重IGMFに非常に近いことが確認されている。

ABSTRACT

We examine the proposal that the dispersion measures (DMs) and Faraday rotation measures (RMs) of extragalactic linearly-polarized fast radio bursts (FRBs) can be used to probe the intergalactic magnetic field (IGMF) in filaments of galaxies. The DM through the cosmic web is dominated by contributions from the warm-hot intergalactic medium (WHIM) in filaments and from the gas in voids. On the other hand, RM is induced mostly by the hot medium in galaxy clusters, and only a fraction of it is produced in the WHIM. We show that if one excludes FRBs whose sightlines pass through galaxy clusters, the line-of-sight strength of the IGMF in filaments, $B_{||}$, is approximately $C(\langle 1+z angle/f_{DM})(RM/DM)$, where $C$ is a known constant. Here, the redshift of the FRB is not required to be known; $f_{DM}$ is the fraction of total DM due to the WHIM, while $\langle 1+z angle$ is the redshift of interevening gas weighted by the WHIM gas density, both of which can be evaluated for a given cosmology model solely from the DM of an FRB. Using data on structure formation simulations and a model IGMF, we show that $C(\langle 1+z angle/f_{DM})(RM/DM)$ closely reproduces the density-weighted line-of-sight strength of the IGMF in filaments of the large-scale structure.

研究の動機と目的

• 宇宙フィラメント内での銀河間磁場（IGMF）の線形視線方向強度を、高速電波パulses（FRB）を用いて推定する手法を開発すること。
• FRBの視線における分散測定値（DM）およびファラデー回転測定値（RM）への温・熱い銀河間媒体（WHIM）の寄与を分離すること。
• FRBの視線が銀河団を通過するものを除外することで、IGMF推定における銀河団の汚染を排除すること。
• 赤方偏移の知識を必要としない、観測可能なFRBの物理量（DM、RM）および宇宙論的パラメータにのみ依存するIGMF強度の式を導出すること。
• 構造形成シミュレーションとモデルIGMFを用いて、この手法を検証し、フィラメント内での真の密度加重線形視線IGMFを正確に回復できるかを確認すること。

提案手法

• この手法は、線形視線方向の磁場強度の代理として、ファラデー回転測定値（RM）と分散測定値（DM）の比を用いる。
• RM/DM比を物理的推定値にスケーリングするために、既知の定数である補正係数 $ C $ を適用する。
• 式 $ B_{||} \approx C(\langle 1+z \rangle / f_{\text{DM}})(\text{RM}/\text{DM}) $ には、中間のガスの赤方偏移加重平均 $ \langle 1+z \rangle $ と、WHIMからのDM寄与率 $ f_{\text{DM}} $ が含まれており、これらは宇宙論およびDMから単独で導出可能である。
• RMがホット銀河団プラズマに支配されるため、銀河団を通過するFRBの視線を除外することで、WHIM寄与を分離する。
• この手法は、WHIMおよびIGMFの分布をモデル化し、推定式の正確性を検証するため、宇宙論的構造形成シミュレーションに依存する。
• 推定式の出力結果を、シミュレートされたフィラメント内での真の密度加重線形視線IGMFと比較することで、推定式の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRBを用いて、FRBの赤方偏移を事前に知らなくても、宇宙フィラメント内での銀河間磁場（IGMF）を推定できるか？
• RQ2 FRBのファラデー回転測定値（RM）は、銀河団ではなく温・熱い銀河間媒体（WHIM）内の磁場をどれほど正確に反映しているか？
• RQ3 物理的根拠に基づくスケーリング式を用いて、DMとRMのみから、フィラメント内での線形視線IGMF強度をどれほど正確に再構築できるか？
• RQ4 銀河団を通過するFRBを除外することで、フィラメント内IGMF推定の精度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 導出された推定式 $ C(\langle 1+z \rangle / f_{\text{DM}})(\text{RM}/\text{DM}) $ は、シミュレートされた大規模構造内での真の密度加重IGMFを正確に再現するか？

主な発見

• 推定式 $ B_{\parallel} \approx C(\langle 1+z \rangle / f_{\text{DM}})(\text{RM}/\text{DM}) $ は、シミュレートされた大規模構造のフィラメント内での真の密度加重線形視線IGMF強度を正確に回復する。
• 赤方偏移の知識が不要であり、$ \langle 1+z \rangle $ と $ f_{\text{DM}} $ は、宇宙論および観測されたDMから単独で計算可能である。
• 銀河団を通過するFRBを除外することで、ホット銀河団プラズマによる支配的RM寄与を除去し、IGMF推定の精度が著しく向上する。
• WHIMはDMの大部分を占めるが、RMへの寄与はわずかにとどまるため、WHIM寄与をDMで、磁場探査をRMで行うというアプローチが正当化される。
• 推定式は、複数のフィラメントにおいて、シミュレートされたIGMFと強く一致し、現実的な宇宙論的条件下での頑健性が確認された。
• この手法は、宇宙フィラメント内IGMFを直接的かつ観測可能な手段でプローブ可能にし、今後の銀河間媒体内磁場の進化に関する制約に貢献する。