[論文レビュー] The Demographics, Stellar Populations, and Star Formation Histories of Fast Radio Burst Host Galaxies: Implications for the Progenitors

Alexa C. Gordon, Wen‐fai Fong+27 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、23個の高速電波バースト（FRB）の母銀河について、光度および分光的データを用いて包括的な分析を実施し、Prospectorを用いて星族および星形成歴（SFH）をモデル化した。その結果、大多数のFRB母銀河は活発な星形成を示しており、繰り返し発生するFRBとそうでないFRBとの間に顕著な差異は認められず、コアコラプス超新星からの磁気星を想起させる短時間遅れ型の前身天体モデルを支持するが、一部のFRBは低活動環境に存在するため、他の前身天体の多様性も示唆される。

ABSTRACT

We present a comprehensive catalog of observations and stellar population properties for 23 highly secure host galaxies of fast radio bursts (FRBs). Our sample comprises six repeating FRBs and 17 apparent non-repeaters. We present 82 new photometric and eight new spectroscopic observations of these hosts. Using stellar population synthesis modeling and employing non-parametric star formation histories (SFHs), we find that FRB hosts have a median stellar mass of $\approx 10^{9.9}\,M_{\odot}$, mass-weighted age $\approx 5.1$ Gyr, and ongoing star formation rate $\approx 1.3\,M_{\odot}$ yr$^{-1}$ but span wide ranges in all properties. Classifying the hosts by degree of star formation, we find that 87% (20/23 hosts) are star-forming, two are transitioning, and one is quiescent. The majority trace the star-forming main sequence of galaxies, but at least three FRBs in our sample originate in less active environments (two non-repeaters and one repeater). Across all modeled properties, we find no statistically significant distinction between the hosts of repeaters and non-repeaters. However, the hosts of repeating FRBs generally extend to lower stellar masses, and the hosts of non-repeaters arise in more optically luminous galaxies. While four of the galaxies with the most clear and prolonged rises in their SFHs all host repeating FRBs, demonstrating heightened star formation activity in the last $\lesssim 100$ Myr, one non-repeating host shows this SFH as well. Our results support progenitor models with short delay channels (i.e., magnetars formed via core-collapse supernova) for most FRBs, but the presence of some FRBs in less active environments suggests a fraction form through more delayed channels.

研究の動機と目的

• 23個の高信頼性FRB母銀河の光度および分光的観測データを包括的に収集すること。
• 非パrametric手法および星族合成を用いて、FRB母銀河の星族特性および星形成歴（SFH）をモデル化すること。
• 繰り返し発生するFRB母銀河と非繰り返し発生するFRB母銀河との間で、人口統計、星質量、年齢、星形成率を比較すること。
• 母銀河の性質がFRB前身天体モデルに与える含意を評価し、特に短時間遅れ型と長時間遅れ型のチャネルを区別すること。
• FRB母銀河が星形成メインシーケンスをトレースするか、それとも低活動環境に位置するかを検討し、FRB発生に最近の星形成が果たす役割を調査すること。

提案手法

• 23個のFRB母銀河（繰り返し発生・非繰り返し発生を含む）の82件の新しい光度観測および8件の新しい分光観測を活用した。
• ベイズ的星族合成コードであるProspectorを用いて、星族および非パrametricな星形成歴（SFH）をモデル化した。
• パラメータとしてダスト減光、金属量、星形成率比などに、一様分布、クリッピング正規分布、対数一様分布を含む柔軟な事前分布フレームワークを採用した。
• ネーブル線源放射およびスペクトルキャリブレーションを多項式フィッティングおよび外れ値モデル化により統合し、SEDおよびスペクトルフィッティングの精度を向上させた。
• 観測スペクトルを12次チェビシェフ多項式フィッティングおよび速度分散スムージングでモデル化し、発光線を周辺化した。
• 実験的関係（例：Gallazzi et al. 2005年の質量-金属量関係）および物理的制約（例：Kroupa IMF、Calzettiダスト則）に基づく事前分布を適用し、物理的整合性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB母銀河の典型的な星質量、年齢、星形成率は何か？
• RQ2 繰り返し発生するFRBの母銀河は、非繰り返し発生するFRBの母銀河と星族特性において系統的に異なるか？
• RQ3 FRB母銀河はどの程度星形成メインシーケンスをトレースしており、低活動または静止状態の環境に位置するものはどれくらいの割合か？
• RQ4 FRB母銀河のうち、最近の星形成（約100 Myr以内）が顕著に強化されているものはどれくらいの割合を占め、繰り返し発生とどのように相関するか？
• RQ5 母銀河の性質がFRBの前身天体メカニズムに与える含意は何か。特に、短時間遅れ型（例：コアコラプス超新星からの磁気星）と長時間遅れ型モデルを区別する上で何を示唆するか？

主な発見

• FRB母銀河の中央値星質量は約 $10^{9.9}\rm\thinspace M_{\bigodot}$ であり、質量加重平均年齢は5.1 Gyr、継続的星形成率の中央値は1.3 $M_{\bigodot}\rm\thinspace yr^{-1}$ である。
• 87％（23中20）のFRB母銀河が星形成を示しており、2つは遷移的で、1つは静止状態である。大多数の母銀河は星形成メインシーケンス上に位置している。
• 繰り返し発生するFRBと非繰り返し発生するFRBの星族特性に統計的に有意な差異は認められなかったが、繰り返し発生するFRBはやや低質量の母銀河に位置している傾向がある。
• 3つのFRB母銀河（非繰り返し2つ、繰り返し1つ）は低活動環境に位置しており、FRBが星形成が活発でない環境でも発生しうることを示唆している。
• 最後の約100 Myrにわたり明確な長期間の星形成上昇を示す4つの母銀河はすべて繰り返し発生するFRBを有しており、非繰り返し発生の母銀河1つでも同様の特徴を示している。これは、最近の星形成が繰り返し発生と関連している可能性を示唆している。
• 結果は、大多数のFRBが短時間遅れ型の前身天体モデル（例：コアコラプス超新星からの磁気星）を支持するが、低活動環境に存在するFRBの存在から、一部は長時間遅れ型のチャネルまたは代替メカニズムに起因する可能性があると示唆している。