[論文レビュー] The Arecibo Fast Radio Burst: Dense Circum-burst Medium

S. R. Kulkarni, E. O. Ofek+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2015

Seismic Imaging and Inversion Techniques参考文献 2被引用数 26

ひとこと要約

論文は、FRB 121102が若い磁星の周囲の高密度で星形成が活発な環境から発生し、その急勾配のスペクトル指数は、はるかに外側の銀河間の周囲爆発ネビュラ内での自由自由吸収によって引き起こされるものであると提唱している。著者らは、高密度の超巨大フレアが最も可能性の高い前身天体であり、高体積密度のFRB発生率を説明するとともに、分散測定値（DM）、回転測定値（RM）、スペクトル吸収効果を説明できると結論づけている。

ABSTRACT

The nature of fast radio bursts (FRB) has been extensively debated. Here we investigate FRB121102, detected at Arecibo telescope and remarkable for its unusually large spectral index. After extensive study we conclude that the spectral index is caused by a nebula with free-free absorption. We find that putative nebula must lie beyond the Milky Way. We conclude that FRBs are of extra-galactic origin and that they arise in dense star-forming regions. The challenge with extra-galactic models is the the high volumetric rate of FRBs. This high rate allows us to eliminate all models of catastrophic stellar deaths. Hyper-giant flares from young magnetars emerge as the most likely progenitors. Some of the consequences are: (i) Intergalactic FRB models can be safely ignored. (ii) The rich ISM environment of young magnetars can result in significant contribution to DM, Rotation Measure (RM) and in some cases to significant free-free optical depth. (iii) The star-forming regions in the host galaxies can contribute significantly to the DM. Including this contribution reduces the inferred distances to FRBs and correspondingly increases the volumetric rate of FRBs (and, in turn, may require that giant flares can also produce FRBs). (iv) FRBs are likely to be suppressed at lower frequencies. Conversely, searching for FRBs at higher frequencies (2-5 GHz) would be attractive. (v) The blast wave which produces the radio emission can undergo rapid deceleration if the circum-burst medium is dense (as maybe the case for FRB121102), leading to X-ray, radio and possibly gamma-ray emission. (vi) Galaxies with high star formation rate host will have a higher FRB rate. However, such FRBs will have differing DMs owing to differing local contributions. (vi) The DM and RM of FRBs will prove to be noisy probes of the intergalactic medium (density, magnetic field) and cosmography.

研究の動機と目的

• FRB 121102の異常に大きなスペクトル指数と、銀河内寄与を超える高い分散測定値（DM）の原因を解明すること。
• FRBが銀河外起源であるかどうかを特定し、高い推定体積密度発生率を踏まえてその前身メカニズムを同定すること。
• 宿主銀河内の高密度ISM構造がDMとRMに与える寄与を評価し、宇宙論的測定と検出戦略に与える影響を検討すること。
• エネルギー出力、放射メカニズム、X線および電波後の光などの観測的特徴を比較することで、磁星の巨大フレアが前身として成立するかを検証すること。
• 周波数依存性の抑制を予測し、最適な観測帯域を特定することで、将来的なFRB検出を支援すること。

提案手法

• 自由自由吸収の光学的厚さスケーリング τ_ff ∝ ν^−2.1 を用いて、FRB 121102のスペクトル指数をモデル化し、急勾配スペクトルを説明する。
• 分散測定値（DM）と回転測定値（RM）のデータを用いて、宿主銀河内に高密度で磁化されたISM構造が存在することを推定し、完全に銀河間起源ではないことを排除する。
• FRBの推定体積密度発生率と、軟ガンマ線バースト・レピーター（SGRs）の巨大フレア発生率を比較し、FRB発生率が約67倍の増幅がなければ一致しないことが判明する。
• 局所ISM寄与がDMとRMに与える影響を評価し、高密度媒体内での衝撃減速をモデル化してX線および電波後の光を予測する。
• 低周波数および高周波数でのFRBの検出可能性を評価し、自由自由吸収により低周波数帯で抑制が生じ、2–5 GHz帯が最適であると予測する。
• 高分解能かつ広帯域スペクトル（メートル波からセンチメートル波）が、吸収特徴を特定し、前身環境を区別するために不可欠であると提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB 121102で観測された異常に急勾配のスペクトル指数は、どのようにして説明できるのか。また、それが銀河の外側に位置する高密度の周囲爆発媒体内での自由自由吸収によって説明可能か。
• RQ2 FRB 121102の高い分散測定値は、銀河間媒体に加えて、宿主銀河内の高密度で星形成が活発なISM構造からの寄与によって説明可能か。
• RQ3 高い推定体積密度発生率は、特に若い磁星からの巨大フレアを含む既知の天体物理学的現象と整合するか。
• RQ4 高密度ISM環境では、FRBに伴ってどのような観測的特徴（例：X線、電波、γ線後の光）が予想されるのか。それらはどのように検出可能か。
• RQ5 局所ISM寄与が、銀河間媒体と宇宙論的測定のプローブとしてのDMとRMの信頼性にどのように影響を与えるか。

主な発見

• FRB 121102のスペクトル指数は、銀河内ではなく、はるかに外側の銀河間の高密度ネビュラ内での自由自由吸収によって最もよく説明できる。
• 観測されたDMとRMは、宿主銀河内の局所ISM構造の影響を強く受けており、これにより推定距離が短くなり、FRBの体積密度発生率が高くなる。
• FRBの高い体積密度発生率は、超新星爆発やその他の破壊的恒星死のモデルとは整合せず、それらを前身として排除できる。
• 若い磁星からの超巨大フレアが最も妥当な前身モデルであり、観測されたFRB発生率に一致させるには、巨大フレア発生率が67倍増加する必要がある。
• 自由自由吸収のため、低周波数（例：1 GHz未満）ではFRBが抑制されることが予想され、2–5 GHz帯が検出に最適である。
• 高密度の周囲爆発媒体は、衝撃波の急速な減速を引き起こし、検出可能なX線および電波後の光を生じさせるとともに、γ線放射を伴う可能性があり、磁星モデルの検証可能な特徴となる。