[論文レビュー] Reconstruction of Reionization History through Dispersion Measure of Fast Radio Bursts

Ji-Ping Dai, Jun‐Qing Xia|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 54被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、各源の正確な赤方偏移を必要とせず、赤方偏移分布の粗い情報のみを用いることで、再電離歴史を制約するための補足的手法として、高速バースト（FRB）からの分散測定値（DM）の大型スケール角クラスタリングを提案する。10⁴個程度のFRBが天の川の20%をカバーする場合、再電離の持続期間の95%信頼区間上限が z_dur < 2.24 にまで厳しく制約され、z=6におけるイオン化率は1σ誤差Δxₑ(z=6)=0.012で正確に測定可能であることが示された。

ABSTRACT

In this paper, we study the evolution of the ionization fraction $x_e(z)$ during the epoch of reionization by using the dispersion measurements (DMs) of fast radio bursts (FRBs). Different from the previous studies, here we turn to consider the large-scale clustering information of observed DMs of FRB catalog, which only needs the rough redshift distribution, instead of the exact redshift information of each FRB. Firstly, we consider the instantaneous `` exttt{tanh}'' model for $x_e(z)$ and find that including the auto-correlation information of the mock catalog, about $10^4$ FRBs with the intrinsic DM scatter of 100 $ m pc/cm^3$ spanning 20\% of all sky, could significantly improve the constraint on the width $Δ_z$ of the model, when comparing with that from the CMB data alone. The evolution shape of the ionization fraction will be tightly narrowed, namely the duration of the epoch of reionization has been shrunk, $z_{ m dur}&lt;2.24$ (95\% C.L.). Furthermore, we also use another redshift-asymmetric reionization model and obtain that the FRB mock catalog could measure the ionization fraction at $z=6$ precisely with the $1σ$ error $Δx_e(z=6)=0.012$, which means that the large-scale clustering information of observed DMs of FRB catalog is very sensitive to the ionization fraction of the end of reionization epoch. We conclude that the observation of high-redshift FRBs could be a complementary probe to study the reionization history in the future.

研究の動機と目的

• 各源の正確な赤方偏移を必要とせず、FRBの分散測定値（DM）の大型スケールクラスタリングのみを用いて再電離歴史を制約する手法を開発すること。
• CMBデータと組み合わせたFRB DMの角パワースペクトルの制約力が、再電離の遷移形状と持続期間をどのように制限できるかを評価すること。
• CMBデータのみに比べ、FRB DM測定が特に再電離の終焉および高赤方偏移におけるイオン化率の制約をどのように厳しくできるかを評価すること。
• DMクラスタリングが非対称な再電離モデル、特にz=6におけるイオン化率にどれほど感受性があるかをテストすること。
• τ、z_re、z_durなどの再電離パラメータの制約を顕著に改善するためのFRBの必要数および分布を特定すること。

提案手法

• 宇宙間物質（IGM）、宿主銀河、およびミルキーウェイからの寄与を合算して観測DMをモデル化し、銀河系成分を差し引いて銀河間DMを分離すること。
• tanhモデルおよび赤方偏移非対称モデルを用いて、イオン化率xₑ(z)を赤方偏移の関数としてパラメータライズし、再電離歴史を表現すること。
• ハッブル定数H(z)および自由電子密度nₑ(θ,z)を組み込み、赤方偏移分布およびイオン化率モデルを用いてDM場の理論的角パワースペクトル（APS）を計算すること。
• ショットノイズ（σ_host = 100 pc/cm³）とスカイカバレッジ（20%）を考慮した上で、パワースペクトルからDM自己相関関数を導出すること。
• CMBデータ（Planck 2018）と組み合わせたモンテカルロ・シミュレーションのDM APSを用い、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを用いて再電離パラメータを制約する共同尤度解析を実施すること。
• DMデータを含む・含まない場合の結果を比較し、特にΔ_z、z_dur、およびz=6におけるイオン化率の制約改善を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB分散測定値（DM）の大型スケールクラスタリングは、CMBデータのみに比べ、再電離歴史の制約をより厳しくできるか？
• RQ2 DMパワースペクトルは再電離期の遷移幅Δ_zおよび持続期間z_durにどれほど感受性があるか？
• RQ3 FRB DM測定は高赤方偏移、特に再電離の終焉が予想されるz=6におけるイオン化率を正確に制約できるか？
• RQ4 DMクラスタリングデータの追加により、光学的厚さτおよび再電離赤方偏移z_reの制約はどのように改善されるか？
• RQ5 再電離パラメータの制約を顕著に改善するためには、FRBの必要数および分布はどの程度か？

主な発見

• スカイカバレッジ20%、σ_host = 100 pc/cm³の下で、約10⁴個のFRBを用いることで、DMクラスタリングパワースペクトルにより再電離持続期間の95%信頼区間上限がz_dur < 2.24にまで厳しく制約された。
• DMパワースペクトルにより、遷移幅Δ_zの制約がΔ_z < 1.02（95% C.L.）まで改善され、CMBデータのみの場合に比べて2倍の精度向上が達成された。
• 非対称赤方偏移モデルにおいて、z=6におけるイオン化率はxₑ(z=6) = 0.985 ± 0.012（68% C.L.）と制約され、再電離終焉に非常に感受性があることが示された。
• 同じ事前分布（xₑ,6 > 0.9）のもとで、CMBデータのみではxₑ(z=6)の制約が不可能であったが、DMデータの追加により1σ誤差0.012の高精度測定が可能となった。
• CMBデータと組み合わせたDMパワースペクトルにより、z_re、τ、z_begの制約が顕著に改善され、z_re = 7.75 ± 0.58（68% C.L.）、τ = 0.0551 ± 0.0055（68% C.L.）が得られた。
• N=5000の減少したサンプルでも、Δ_zの制約はΔ_z < 1.21（95% C.L.）に保たれ、マージナライズド誤差はわずか18.6%増加にとどまり、サンプルサイズの変動に対しても頑健であることが示された。