[論文レビュー] Searching for the sources of excess extragalactic dispersion of FRBs

Sunil Simha, Khee‐Gan Lee+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2023

Statistical and numerical algorithms被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、4つの局所化されたフレッシュ・ラジオ・バースト（FRB）における余剰銀河間分散測定値（DM）の起源を、前方の銀河ハローおよびグループ内のガスをモデル化することで調査する。FLIMFLAM調査の分光データを用いて、FRB20190714Aの余剰DMの63％をハロー寄与が説明するが、他のFRBではハロー寄与が無視できるほど小さいため、顕著なホストまたは発生源環境寄与が示唆される。

ABSTRACT

The FLIMFLAM survey is collecting spectroscopic data of field galaxies near fast radio burst (FRB) sightlines to constrain key parameters describing the distribution of matter in the Universe. In this work, we leverage the survey data to determine the source of the excess extragalactic dispersion measure (DM), compared to the Macquart relation estimate of four FRBs: FRB20190714A, FRB20200430A, FRB20200906A, and FRB20210117A. By modeling the gas distribution around the foreground galaxy halos and galaxy groups of the sightlines, we estimate $ m DM_{halos}$, their contribution to the FRB dispersion measures. The FRB20190714A sightline shows a clear excess of foreground halos which contribute roughly 2/3$^{rd}$ of the observed excess DM, thus implying a baryon-dense sightline. FRB20200906A shows a smaller but non-negligible foreground halo contribution, and further analysis of the IGM is necessary to ascertain the true cosmic contribution to its DM. RB20200430A and FRB20210117A show negligible foreground contributions, implying a large host galaxy excess and/or progenitor environment excess.

研究の動機と目的

• Macquart関係による推定を超えた、4つの局所化されたFRBにおける余剰銀河間分散測定値（DM）の原因を特定すること。
• 分光データを用いて、前方の銀河ハローおよびグループが観測されたDM過剰に与える寄与を定量化すること。
• 余剰DMが過密度の大型スケール構造、ホスト銀河のISM、または発生源環境由来であるかどうかを評価すること。
• 将来のIGMトモグラフィーおよびFRB発生源研究のためのホストDMおよび前方物質分布に関する統計的制約を提供すること。

提案手法

• FRB視線に沿って存在する銀河および銀河グループを特定するために、FLIMFLAM調査の分光データを用いた。
• HMFEmulatorおよびMARZソフトウェアを用いて、銀河ハロー内の電子密度分布をモデル化し、DM寄与を推定した。
• Macquart関係を用いて予測される宇宙DMを計算し、観測推定値と比較した。
• 赤方偏移およびインパクトパラメータのデータを用いて、ハロー気体由来の分散測定値（DM_halos）およびその不確実性（σ(DM_halos)）を計算した。
• DM_halosを推定された宇宙DM（DM_cosmic_est）と組み合わせ、前方ハロー寄与を差し引いた残差DMをホストまたは発生源環境に起因すると推定した。
• 統計的モデリングおよび誤差伝搬を用いて、ハロー寄与が宇宙予想に対して有意であるかを評価した。

Figure 1: An updated Macquart relation plot including published well-localized FRBs from CRAFT at $z<0.7$ . The solid line is the mean $\langle{\rm DM}_{\rm cosmic}\rangle$ from a universe with the $\Lambda$ CDM cosmology, a.k.a. the Macquart relation. The blue shading represents $p(\mathrm{DM}_{\ma

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB20190714Aにおける余剰銀河間DMの何パーセントが前方の銀河ハローおよびグループに起因するか？
• RQ2 ハロー気体寄与は、FRB20200906A、FRB20200430A、FRB20210117AのDM過剰をどの程度説明できるか？
• RQ3 各FRBの赤方偏移における観測されたDM過剰は、平均的な宇宙DM予想とどのように比較できるか？
• RQ4 前方ハロー寄与を考慮した上で、ホスト銀河または発生源環境が総DMに与える寄与はどの程度か？
• RQ5 FLIMFLAM調査データは、将来のFRB宇宙論におけるホストDM分布を統計的に制約できるか？

主な発見

• FRB20190714Aでは、前方ハロー寄与（195 pc cm⁻³）が平均的宇宙予想（92 pc cm⁻³）を上回り、余剰DMの約63％を説明する。
• FRB20200906Aはハロー寄与が低い（3 pc cm⁻³）ため、余剰DM（366 pc cm⁻³）はホストまたは発生源環境由来である可能性が高い。
• FRB20200430AおよびFRB20210117Aはハロー寄与が無視できるほど小さい（それぞれ3 pc cm⁻³）、したがってその余剰DMの大部分（152および502 pc cm⁻³）はホストまたは局所環境由来とみるべきである。
• FRB20190714Aのモデル予測宇宙DM（DM_cosmic_model）は312 pc cm⁻³であり、観測推定値（275 pc cm⁻³）とよく一致しており、ハローモデリング手法の妥当性が裏付けられた。
• 本研究は、FRBにおける高いDM_cosmic推定値が、過密度の前方構造と上昇したホスト寄与の両方の組み合わせによるものであり、両者が同程度の確率で成立すると結論づける。
• FLIMFLAM調査は、将来のIGMトモグラフィーおよび発生源チャネル研究のためのホストDMの事後分布を提供することが期待される。

Figure 2: Histogram of galaxy redshifts obtained from the AAOmega spectrograph in the four fields. The full 1.1 degree radius sample is shown in blue and the subset of galaxies within 10 arcmin is shown in orange. The FRB redshift is marked by the dashed red line, and the shaded region represents ba