[論文レビュー] Fast Transients at Cosmological Distances with the SKA

Jean‐Pierre Macquart, E. F. Keane+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、電波望遠鏡のスケールを考慮した平方キロメートルアレイ（SKA）が、宇宙論的距離における高速電波パulses（FRB）の検出および局在化を可能にし、光学的フォローアップによる正確な赤方偏移測定を実現すると提案している。アーセコンドレベルの局在化と高時間分解能処理を備えることで、SKAはFRBを用いて銀河間物質のマッピング、ダークエネルギーの状態方程式の測定、および欠落しているバリオンの検出を可能にする宇宙論的プローブとして機能する。

ABSTRACT

Impulsive radio bursts that are detectable across cosmological distances constitute extremely powerful probes of the ionized Inter-Galactic Medium (IGM), intergalactic magnetic fields, and the properties of space-time itself. Their dispersion measures (DMs) will enable us to detect the "missing" baryons in the low-redshift Universe and make the first measurements of the mean galaxy halo profile, a key parameter in models of galaxy formation and feedback. Impulsive bursts can be used as cosmic rulers at redshifts exceeding 2, and constrain the dark energy equation-of-state parameter, $w(z)$ at redshifts beyond those readily accessible by Type Ia SNe. Both of these goals are realisable with a sample of $\sim 10^4$ fast radio bursts (FRBs) whose positions are localized to within one arcsecond, sufficient to obtain host galaxy redshifts via optical follow-up. It is also hypothesised that gravitational wave events may emit coherent emission at frequencies probed by SKA1-LOW, and the localization of such events at cosmological distances would enable their use as cosmological standard sirens. To perform this science, such bursts must be localized to their specific host galaxies so that their redshifts may be obtained and compared against their dispersion measures, rotation measures, and scattering properties. The SKA can achieve this with a design that has a wide field-of-view, a substantial fraction of its collecting area in a compact configuration (80\% within a 3\,km radius), and a capacity to attach high-time-resolution instrumentation to its signal path.

研究の動機と目的

• 高速電波パulses（FRB）を銀河間物質およびダークエネルギーのプローブとして用いることで、宇宙論的研究を可能にすること。
• 現在のFRB観測における天球上での局在精度の低さが、赤方偏移測定や宿主銀河の特定を困難にしているという課題に対処すること。
• 宇宙論的距離におけるFRBの検出および局在化を保証するためのSKAの設計要件を確立すること。
• FRBが$z > 2$における$w(z)$のプローブとして「宇宙の定規」として機能できることを示すこと、これはIa型超新星が到達できない領域をカバーする。
• FRBおよび重力波イベントに伴う整合的電波放射を宇宙論的標準サインとして用いることを可能にすること。

提案手法

• SKA1の広視野および3 kmのコンパクトコア内に80%の集光面積を有する構成を活用し、トランジエンス検出体積を最大化する。
• 高時間分解能の機器とトランジエンスバッファを導入し、パルス検出時に信号データを記録し、検出後における局在化を可能にする。
• 電離プラズマの$\nu^{-2}$分散則を活用して、FRBとRFIを区別するためのデディスパージョンおよびDM解析を実施する。
• 長基線によるアーセコンドレベルの局在化を活用し、宿主銀河の光学的赤方偏移フォローアップを可能にする。
• 他の標的を観測しながらも、継続的にFRBを検出可能な共存型トランジエンス調査を実施する。
• トランジエンスイベントの検出と同時に、即時の局在化およびバッファの凍結を開始するトリガー系を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SKAを用いてFRBをアーセコンドレベルの精度で局在化させ、その宿主銀河の赤方偏移を光学的フォローアップで測定することが可能か？
• RQ2 FRBはどの程度まで$z > 2$におけるダークエネルギーの状態方程式$w(z)$を制約できるか？
• RQ3 分散測定を用いて、銀河間物質における「欠落している」バリオンを検出し、マッピングすることがFRBによって可能か？
• RQ4 十分な感度と時間分解能を備えたFRBの検出および局在化を実現するため、SKAに必要な設計的特徴は何か？
• RQ5 重力波イベントに伴う整合的電波放射が、SKA1-LOWで検出可能であり、宇宙論的標準サインとして利用可能か？

主な発見

• SKAはFRBを1アーセコンド以内に局在化でき、光学的フォローアップによる宿主銀河の赤方偏移決定が可能である。
• 約$10^4$個の局在化済みFRBのサンプルがあれば、最初の平均銀河ハロー分布の測定と、低赤方偏移銀河間物質における欠落バリオンの検出が可能になる。
• $z \gtrsim 2$におけるFRBは、Ia型超新星が到達できない領域までをカバーし、ダークエネルギーの状態方程式$w(z)$を制約できる。
• トランジエンスバッファは、検出後の局在化とRFIの検証を可能にする高時間分解能データの保存に不可欠である。
• 感度が50%低下しても、SKAは宇宙論的科学に十分な速度でFRBを検出可能であるが、感度のスケーリングは未知のフラックス分布に依存する。
• SKAのモジュラー設計および信号パスのアクセス可能성이、50年間の運用期間中に予期しないFRB関連の発見に対しても将来の適応を可能にする。