[論文レビュー] The fast radio burst population evolves with the star-formation rate

C. James, J. X. Prochaska+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ASKAPおよびパーキーズのFRBサンプルを詳細な観測モデルを用いて分析し、FRB集団が赤方偏移とともに星形成率に比例して進化することを明らかにした。非進化モデルは98%の信頼水準で排除された。結果は、FRBが磁気星バーストに起因することを支持しており、最大エネルギーはlog₁₀ Eₘₐₓ = 41.85 erg、ホスト銀河のDM寄与は138 pc cm⁻³である。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are extremely powerful sources of radio waves observed at cosmological distances. We use a sophisticated model of FRB observations -- presented in detail in a companion paper -- to fit FRB population parameters using large samples of FRBs detected by ASKAP and Parkes, including seven sources with confirmed host galaxies. Our fitted parameters demonstrate that the FRB population evolves with redshift in a manner consistent with the star-formation rate, ruling out a non-evolving population at 98\% C.L., and 95\% even when considering alternative models. Our estimated maximum FRB energy is $\log_{10} E_{ m max} [{ m erg}] = 41.85_{-0.20}^{+0.44}$ (68\% C.L.) assuming a 1\,GHz emission bandwidth, with slope of the cumulative luminosity distribution $\gamma=-1.16_{-0.12}^{+0.11}$. We find a log-mean host DM contribution of $138_{-51}^{+71}$\,pc\,cm$^{-3}$ on top of a typical local (ISM and halo) contribution of $\sim80$\,pc\,cm$^{-3}$, which is higher than most literature values. These results are consistent with the model of FRBs arising as the high-energy limit of magnetar bursts.

研究の動機と目的

• 高速電波バースト（FRB）集団が宇宙時間とともに進化するかどうかを特定すること。
• FRB発生率が星形成歴に結びついているという仮説を、代替の非進化モデルと比較して検証すること。
• 全降伏関数の勾配やエネルギー分布を含む、主要なFRB集団パラメータを制約すること。
• ホスト銀河の分散測定（DM）が全観測DMに与える典型的な寄与を推定すること。

提案手法

• ASKAPおよびパーキーズ電波望遠鏡の大量データセットに、洗練された統計的FRB観測モデルを適用した。
• モデルは赤方偏移依存のFRB発生率進化を組み込み、観測されたFRBのフルエンスおよび分散測定（DM）分布にフィットする。
• 全降伏関数はべき乗則形でモデル化され、勾配γは自由パラメータとして扱った。
• DMへの寄与は、銀河間物質、ハロー、およびホスト銀河からの寄与をすべて考慮した。
• ベイズ推論を用いて、複数の競合モデル下でパラメータを制約した。特に、最大FRBエネルギーとホストDMを含む。
• 赤方偏移とDM測定を確定させた7つのFRBに対して、ホスト銀河の特定を組み込んだ分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB集団は、宇宙の星形成率と整合的な赤方偏移進化を示すか？
• RQ2 FRB集団の内在的全降伏関数勾配γは何か？
• RQ3 FRBの最大エネルギー出力は何か？また、赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ4 ホスト銀河が全分散測定に与える典型的な寄与は何か？
• RQ5 FRB集団は、星形成に結びついた進化モデルか、非進化集団モデルのどちらにより適切に説明されるか？

主な発見

• FRB集団は赤方偏移とともに、宇宙の星形成率と統計的に整合する形で進化しており、非進化モデルは98%の信頼水準で除外された。
• 1 GHz帯域幅を仮定した場合、最大FRBエネルギーはlog₁₀ Eₘₐₓ = 41.85 ergと制約され、68%信用区間は41.65から42.29 ergであった。
• 累積全降伏関数の勾配はγ = -1.16と測定され、68%信用区間は-1.28から-1.05であった。
• ホスト銀河によるDM寄与の対数平均は138 pc cm⁻³であり、68%信用区間は87から209 pc cm⁻³であった。
• ホストDM寄与は、多くの既存の文献推定値よりも高いことが示され、高密度環境からの寄与が顕著である可能性を示唆した。
• 結果は、FRBが磁気星バーストの高エネルギー端に由来するというモデルと最も整合した。