[論文レビュー] Multiply-imaged time-varying sources behind galaxy clusters - Comparing FRBs to QSOs, SNe, and GRBs

Jenny Wagner, Jori Liesenborgs+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 80被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、短い一時的な性質と多重像成分間の測定可能な時間遅れを活用することで、高速電波パulses（FRB）が銀河団スケールの重力レンズ質量分布を非常に高精度に再構成するためのプローブとして機能しうることを提案している。シミュレーションと繰り返し発生するFRB121102をモデルとして用い、SKAフェーズ2では1平方度あたり1年間に約10⁻⁴個の多重像FRBが検出可能であると推定されており、時間遅れの測定により局所レンズ特性の精度が10⁻¹⁰未満に達する。これはクェザーや超新星を上回る再構成精度を示している。

ABSTRACT

With upcoming (continuum) surveys of high-resolution radio telescopes, detection rates of fast radio bursts (FRBs) might approach $10^5$ per sky per day by future extremely large observatories, such as the possible extension of the Square Kilometer Array (SKA) to a phase 2 array. Depending on the redshift distribution of FRBs and using the repeating FRB121102 as a model, we calculate a detection rate of multiply-imaged FRBs with their multiply-imaged hosts caused by the distribution of galaxy-cluster scale gravitational lenses of the order of $10^{-4}$ per square degree per year for a minimum total flux of the host of 10 $μ$Jy at 1.4 GHz for SKA phase 2. Our comparison of estimated detection rates for quasars, supernovae, gamma ray bursts, and FRBs shows that multiple images of FRBs could be more numerous than those of gamma ray bursts and supernovae and as numerous as multiple images of quasars. Time delays between the multiple images of an FRB break degeneracies in model-based and model-independent lens reconstructions as other time-varying sources do, yet without a microlensing bias as FRBs are more point-like and have shorter duration times. We estimate the relative imprecision of FRB time-delay measurements to be $10^{-10}$ for time delays on the order of 100 days for galaxy-cluster scale lenses, yielding more precise (local) lens properties than time delays from the other time-varying sources. Using the lens modelling software Grale, we show the increase in accuracy and precision of the reconstructed scaled surface mass density map of a simulated cluster-scale lens when adding time delays for one set of multiple images to the set of observational constraints.

研究の動機と目的

• 今後のSKAフェーズ2調査を用いて、銀河団の後方にある多重像FRBの検出率を推定すること。
• 重力レンズ再構成に用いるFRB、クェザー、超新星、ガンマ線バーストの有効性を比較すること。
• FRBの時間遅れがレンズ質量再構成の精度と正確性をどの程度向上させるかを評価すること。
• レンズモデルのデゲネラシーを解消する観点から、他の時間変動源と比較したFRBの利点を評価すること。
• 特にH₀の推定や、銀河団内での質量変化の検出を含め、FRBの宇宙論的パrameter推定への可能性を検討すること。

提案手法

• 繰り返し発生するFRB121102をテンプレートとして用い、FRBのホストフラックスと赤方偏移分布をモデル化することで、SKAフェーズ2における検出率を推定する。
• クラスタースケールのレンズ断面積と源密度に基づき、1平方度あたり1年間に予想される多重像FRBの数を計算する。
• Graleソフトウェアを用いて銀河団スケールのレンズをシミュレートし、時間遅れ制約がレンズ再構成精度に与える影響を検証する。
• FRB、クェザー、超新星、GRBの間で時間遅れ測定の精度を比較し、100日間の時間遅れに対してFRBは約10⁻¹⁰の相対不正確性を達成している。
• 時間遅れ制約が質量シートデゲネラシーをどのように緩和し、表面質量密度マップの忠実度を向上させるかを評価する。
• 約10角秒の角度分離と約100日間の時間遅れを想定した場合、高分解能フォローアップ観測による複数像の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 今後のSKAフェーズ2調査において、銀河団の後方にある多重像FRBの予想検出率はどの程度か？
• RQ2 FRBの時間遅れ測定精度と再構成正確性は、クェザーや超新星、GRBと比較してどの程度か？
• RQ3 FRBの時間遅れは、銀河団スケールのレンズ質量再構成の正確性をどの程度向上させるか？
• RQ4 レンズ研究において、他の時間変動源と比較した場合、FRBの観測的利点は何か？
• RQ5 FRBを用いて銀河団内の微小な質量変化（>10⁵ M☉）を検出したり、H₀などの宇宙論的パrameter推定を改善できるか？

主な発見

• SKAフェーズ2において、1.4 GHzで10 µJyのホストフラックス閾値を満たす場合、銀河団の後方にある多重像FRBの検出率は1平方度あたり1年間に約10⁻⁴と推定される。
• 100日間の時間遅れに対して、FRBの時間遅れは約10⁻¹⁰の相対不正確性で測定可能であり、クェザーや超新星、GRBのそれよりも高い精度を示す。
• FRBの時間遅れ制約を組み込むことで、レンズモデリングにおけるスケーリングされた表面質量密度マップの再構成精度と正確性が向上し、1つの時間遅れ制約で3つの制約とほぼ同等の正確性が達成される。
• 時間遅れ制約の追加により、質量シートデゲネラシーが軽減され、レンズポテンシャル再構成の忠実度が向上するが、一部のケースでは浅い銀河団コア勾配へのバイアスが生じる可能性がある。
• FRBは超新星よりも高い検出率を示し、クェザーと同等またはそれ以上の精度を示すため、レンズ研究において非常に競争力がある。
• 繰り返し発生するFRBは、繰り返しの時間遅れ測定を可能とし、統計的パワーの向上と、銀河団内での10⁵ M☉以上の質量変化の検出能力を高める。