[論文レビュー] FRBs: the Dispersion Measure of Host Galaxies

M. Jaroszyński|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用数 12

ひとこと要約

IllustrisTNG-100 シミュレーションを用いて、短時間バースト（FRB）の宿主銀河におけるイオン化ガスハローからの分散測定値（DM）をモデル化した本研究では、同じ恒星質量に対して赤方偏移が増加するにつれて、平均DMとその標準偏差がともに増加することを明らかにした。これは、従来の宿主DMが一定であるという仮定に反するものであり、宇宙論的FRBテストでは統計的精度を維持するため、赤方偏移が既知のFRBを15%〜35%多く必要とする必要があることを示唆している。

ABSTRACT

Using the results of the IllustrisTNG simulation we estimate the dispersion measure which may be attributed to halos of so called host galaxies of fast radio bursts sources (FRBs). Our results show that in contradiction to assumptions used to show the applicability of FRBs to cosmological tests, both the dispersion measure and its standard deviation calculated for host galaxies with given stellar mass in general increase with the redshift. The effect is not strong and cosmological tests using FRBs will be possible, but to preserve the level of statistical uncertainty the number of FRBs with known redshift in a sample should be increased by 15%--35% depending on circumstances. We show various statistical characteristics of ionized gas surrounding galaxies, the resulting dispersion measure and their dependence on the host galaxy stellar mass, redshift, and the projected distance of a FRB source from its host center. Cosmology: theory -- Galaxies: halos -- large-scale structure of Universe

研究の動機と目的

• 短時間バースト（FRB）の観測された分散測定値（DM）における宿主銀河ハローの寄与を評価すること。
• 宿主DMおよびその散らばりが、宿主の恒星質量、赤方偏移、銀河中心からの投影距離にどのように依存するかを調査すること。
• 変化する宿主DMが、赤方偏移–DM関係に依存するFRBを用いた宇宙論的テストに与える影響を評価すること。
• FRB宇宙論における統計的モデリングに役立てる、物理的に妥当なシミュレーションベースの宿主DMの推定値を提供すること。

提案手法

• 本研究は、異なる恒星質量の銀河の周囲における自由電子の分布を抽出するために、IllustrisTNG-100 宇宙論的シミュレーションを用いる。
• ガスセルとダークマター・ハローの境界から得られるシミュレーションデータを用い、銀河中心からの距離関数として角度平均された電子密度プロファイルを計算する。
• 分散測定値は、視線方向の経路に沿った電子密度の積分により計算される：$\mathrm{DM} = \int n_e \, ds$、異なる赤方偏移および宿主中心からの投影距離に対して計算する。
• 統計的性質として、平均DMと標準偏差を、異なる赤方偏移および宿主質量におけるシミュレートFRB源のアンサンブル全体で計算する。
• 結果は恒星質量および赤方偏移でビニングされ、観測DMと比較するための$1+z$補正が宿主DMに施される。
• シミュレーションに基づく予測の妥当性を検証するため、FRB 190608およびミルキーウェイのハローからの観測推定値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 恒星質量が固定された銀河において、宿主銀河の分散測定値（DM）の寄与は、赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ2 従来の宇宙論的FRB研究で仮定されているように、宿主DMの標準偏差は赤方偏移にかかわらず一定であるか？
• RQ3 FRBの宿主銀河中心からの投影距離が、宿主DMにどのように依存するか？
• RQ4 シミュレーションベースの宿主DM推定値は、FRB 190608およびミルキーウェイからの観測推定値とどのように比較できるか？
• RQ5 宿主DMが赤方偏移とともに増加する場合、統計的精度を維持するためには、FRB宇宙論的サンプルにどの程度の補正係数が必要か？

主な発見

• 同じ宿主恒星質量に対して、平均宿主分散測定値（$\mathrm{DM}_{\rm host}$）とその標準偏差は、赤方偏移とともに増加しており、これは宿主DMが赤方偏移に依存しないという仮定と矛盾する。
• 恒星質量 $M_* \leq 10^9~\mathrm{M}_\odot$ の宿主銀河では、宿主DMの寄与は無視できるが、このような低質量宿主は宇宙論的に興味深い赤方偏移で検出される可能性は低い。
• 赤方偏移 $z=0.5$ では、$z=0$ と比較して宿主DMの標準偏差が31%増加し、$z=3$ では37%増加しており、距離が増えるにつれて不確実性が増大していることが示唆される。
• 宿主中心からの距離が3 kpcの源では、$z=0.5$ で標準偏差が18%増加し、$z=3$ で25%増加しており、精度を維持するにはより大きなサンプルサイズが必要となる。
• FRB 190608の宿主銀河（$M_* \approx 2.5 \times 10^{10}~\mathrm{M}_\odot$、$z=0.12$）の予測宿主DMは $144 \pm 30$ pc/cm³ であり、Chittidiら（2020）による観測推定値（30–80 pc/cm³）の1.5〜3倍に上昇している。
• 統計的不確実性を維持するため、赤方偏移および宿主質量に応じて、赤方偏移が既知のFRBの数を15%〜35%増やす必要がある。これは、赤方偏移に依存する宿主DMの散らばりの影響による。