[論文レビュー] Statistical inference of the distance to ASKAP FRBs

Dongzi Li, Almog Yalinewich+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、3つの独立した統計的手法——分散測定（DM）を用いた数え上げスケーリング、赤方偏移サーベイとの相互相関、異なる機器間のDM比較——を用いて、ASKAPの高速電波パulses（FRB）が、分散測定が示唆するよりも顕著に近い距離に存在することを示している。結果は一貫して低赤方偏移起源（z ≈ 0.007–0.01）を示しており、DMの大部分が銀河系内環境由来であると示唆され、宇宙論的FRBモデルにおける仮定に挑戦するものである。

ABSTRACT

The distances to fast radio bursts (FRBs) are crucial for understanding their underlying engine, and for their use as cosmological probes. In this paper, we provide three statistical estimates of the distance to ASKAP FRBs. First, we show that the number of events of similar luminosity in ASKAP does not scale as distance cubed, as one would expect, when directly using the observed dispersion measure (DM) to infer distance. Second, by comparing the average DMs of FRBs observed with different instruments, we estimated the average redshift of ASKAP FRBs to be $z\sim 0.01$ using CHIME and ASKAP, and $z\lesssim0.07$ using Parkes and ASKAP. Both values are much smaller than the upper limit $z\sim0.3$ estimated directly from the DM. Third, we cross-correlate the locations of the ASKAP FRBs with existing large-area redshift surveys, and see a 3$σ$ correlation with the 2MASS Redshift Survey and a 5$σ$ correlation with the HI Parkes All Sky Survey at $z\sim0.007$. This corresponds well with the redshift of the most likely host galaxy of ASKAP FRB 171020, which is at $z=0.00867$. These arguments combined suggest an extremely nearby origin of ASKAP FRBs and a local environment with accumulated electrons that contribute a DM of several hundred pc/cm$^3$, which should be accounted for in theoretical models.

研究の動機と目的

• 分散測定（DM）に基づく距離推定と実際のFRB距離の乖離を解明すること。
• 観測されたFRBの数え上げスケーリングが、IGM優勢モデルに予測されるDM³に一致するかを検証すること。
• 大規模銀河サーベイとの相互相関を用いて、ASKAPのFRBの赤方偏移分布を評価すること。
• CHIME、Parkes、ASKAPの各機器間でのDM分布を比較し、平均赤方偏移を推定すること。
• 主星系および周囲環境が全DMに与える寄与を制限すること。

提案手法

• IGMのみのモデルが予測するDM³に従うと予想される、同等の発光度を持つASKAPのFRBの累積数え上げを、補正済みDMの関数として分析し、スケーリングの検証を行う。
• ASKAPの平均超過DMをCHIMEおよびParkesのそれと比較し、機器間DM比分析を用いて赤方偏移を推定する。
• ASKAPのFRBの天球位置を、2つの大規模赤方偏移サーベイ（2MRSおよびHIPASS）と相互相関させ、特定の赤方偏移で空間的クラスタリングを検出する。
• 3σおよび5σの統計的有意性基準を用いて、z ≈ 0.007における相互相関関数のピークを特定する。
• 赤方偏移依存の相関関数を適用し、期待されるr⁰.⁶のスケーリングをモデル化して、観測されたクラスタリングを検証する。
• 複数の独立した統計的検定を組み合わせ、FRBの距離およびDM起源に関する推論を強化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IGM優勢モデルに従うと予想されるように、同様の発光度を持つFRBの数え上げはDM³に比例するか？
• RQ2 CHIMEおよびParkesのDMと比較することで、ASKAPのFRBの推定赤方偏移は何か？
• RQ3 特定の赤方偏移において、ASKAPのFRB位置と大規模銀河構造との間に統計的に有意な空間的相関があるか？
• RQ4 ASKAPのFRBの観測DMが、全DMがIGM由来であると仮定した場合の上限と比べてどう異なるか？
• RQ5 ASKAPのFRBの全DMのうち、IGMではなく主星系または周囲環境由来である可能性が高い割合はどの程度か？

主な発見

• 同様の発光度を持つASKAPのFRBの数え上げは、DM³ではなくDM¹·⁵に比例しており、IGM優勢モデルからの逸脱を示唆する。
• 2MASS赤方偏移サーベイとの相互相関により、z ≈ 0.007に3σの有意ピークが得られた。
• HIパーキーズ全天サーベイとの相互相関により、z ≈ 0.007に5σの有意ピークが得られ、FRB 171020の主星系赤方偏移（z = 0.00867）と整合的である。
• CHIMEとASKAPの平均DMを比較することで、ASKAPのFRBの平均赤方偏移がz ≈ 0.01であると推定されたが、これはIGMに基づく上限（z ≈ 0.3）よりも顕著に低い。
• Parkesデータとの比較では、z ≲ 0.07の高い推定値が得られたが、これはRFI環境によるバイアスの可能性が高く、それでもIGMの上限に比べて顕著に低い。
• これらの結果は、ASKAPのFRBのDMの大部分——数百分の1 cm⁻³に達する——がIGMではなく主星系由来であると示しており、一貫している。