[논문 리뷰] An assessment of the Association Between a Fast Radio Burst and Binary Neutron Star Merger

Alexandra Moroianu, L. Wen외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 01.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 이중 중성자별 융합에서 발생한 중력파 GW190425와 비재발성 급속 무선파발생기 FRB 20190425A 사이의 통계적으로 유의미한 시간적·공간적 일치를 제시하며, 무작위 일치 가능성은 0.52%에 해당하는 2.8σ의 유의수준을 보인다. 이 연관성은 융합 후 초과질량을 가진 자기장이 강한 별이 붕괴하기 전에 자기장 구조에서의 방출을 통해 FRB를 방출하는 이론 모델을 지지하며, 중성자별의 상태방정식은 $M_{\rm TOV} > 2.63\,M_\odot$ 이상의 강성 형태로 제약을 받는다. 또한 쿼라르 별의 경우 $>2.31\,M_\odot$ 이상이어야 한다.

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are mysterious bright millisecond-duration radio bursts at cosmological distances. While young magnetars have been put forward as the leading source candidate, recent observations suggest there may be multiple FRB progenitor classes. It has long been theorised that FRBs could be emitted from compact object mergers - cataclysmic events such as binary neutron star (BNS) mergers that may be detectable in gravitational waves (GWs) by the ground-based Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO)and Virgo. Here we report a potential coincidence between the only BNS merger event GW190425 out of 21 GW sources detected during the first six months of LIGO-Virgo's 3rd Science Run and a bright, non-repeating FRB event, FRB 20190425A, from a search using public GW and CHIME FRB data. The FRB is located within the GW's sky localization area, occurred 2.5 hours after the GW event, and has a dispersion measure consistent with the distance inferred from GW parameter estimation. The chance probability of a coincidence between unrelated FRB and GW events in the databases is estimated to be 0.0052 ($2.8 σ$). We estimate the chance of CHIME detecting such an event to range from 0.4% for a beam-centre detection to 68% if a bright burst is detectable in a far sidelobe. This potential association is consistent with the theory that the BNS merger leaves behind a supramassive, highly magnetized compact object, which collapses to form a black hole after losing angular momentum due to spindown and makes an FRB through ejecting the magnetosphere. If such a physical association is established, the equation of state of the post-merger compact object is likely stiff, with a Tolman-Oppenheimer-Volkoff non-spinning maximum mass $M_{TOV} > 2.63_{-0.23}^{+0.39} M_\odot$ for a neutron star remnant, or $M_{TOV} > 2.31_{-0.08}^{+0.24} M_\odot$ for a quark star remnant.

연구 동기 및 목표

• 빠른 무선파발생기(FRB) 중 일부가 중력파(GW)로 감지 가능한 이중 중성자별(BNS) 융합에서 기인한다는 가설을 검증하기 위함.
• O3a 기간 동안 LIGO-Virgo와 CHIME/FRB의 공개 데이터를 활용해 일치하는 FRB-GW 이벤트를 탐색하기 위함.
• 관측된 FRB-GW 일치의 통계적 유의수준을 평가하고, 융합 후 FRB 방출 이론 모델과의 일관성을 점검하기 위함.
• 거리와 분산 측정치 일치를 바탕으로 융합 후 밀집 천체의 상태방정식을 제약하기 위함.

제안 방법

• O3a 기간 동안의 171개의 GW 이벤트와 CHIME/FRB의 첫 번째 목록에서 제공한 535개의 FRB 사이에 시간적·천체적 위치 일치 검색을 수행함.
• 잠재적 FRB-GW 쌍을 식별하기 위해 비대칭 26시간 시간 창(융합 이벤트 발생 2시간 전부터 24시간 후까지)을 정의함.
• GWTC-2의 90% 신뢰 영역을 사용해 공간적 일치를 평가하였으며, FRB 20190425A는 GW190425의 위치 추정 영역 내 66.7% 범위에 포함됨.
• 서로 다른 이벤트 간의 무작위 일치 확률을 계산하여, 관련 없는 이벤트 간 무작위 일치 가능성은 0.0052(2.8σ)로 산출됨.
• 파동 강도와 안테나 패턴을 기반으로, CHIME의 FRB 20190425A 탐지 확률을 0.4%(빔 중심)에서 68%(원거리 측면 빔)까지 추정함.
• FRB 20190425A의 분산 측정치가 GW로 유도된 적색편이(z ≈ 0.03)와 일치하는지 확인하기 위해 분산 측정치 분석을 수행함.

Figure 1: Temporal and spatial coincidence of GW190425 and FRB 20190425A . Top left: LIGO Livingston signal to noise ratio (SNR) of GW190425 (see Methods). Top right: flux (in Jy) of FRB 20190425A [ 2 ] , occurring $2.5\ \rm hours$ after the merger. Bottom: Sky direction of FRB 20190425A (cyan) and

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIGO-Virgo의 O3a 기간 동안 발생한 어떤 GW 이벤트와 CHIME가 탐지한 FRB 사이에 통계적으로 유의미한 시간적·공간적 일치가 존재하는가?
• RQ2 FRB 20190425A의 분산 측정치는 GW190425의 매개변수 추정으로 유도된 거리와 일치하는가?
• RQ3 관측된 FRB-GW 일치가 무작위 확률에 의해 발생할 가능성은 얼마인가?
• RQ4 관측된 연관성은 이중 중성자별 융합 후 초과질량을 가진 고자기 밀집 천체가 붕괴하기 전에 FRB를 방출하는 이론 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 이 연관성은 융합 후 잔여 물체의 상태방정식에 어떤 제약을 가하는가?

주요 결과

• FRB 20190425A는 GW190425 발생 후 2.5시간 만인 10:46:33 UTC에 발생하였으며, GW의 천체적 위치 추정의 90% 신뢰 영역 내에 포함됨.
• FRB의 분산 측정치(128.2 pc cm⁻³)는 GW로 유도된 적색편이(z = 0.03⁺⁰.⁰¹₋₀.⁰²)와 일치하며, z < 0.0394 수준까지 거리가 제약됨.
• 서로 다른 FRB와 GW 이벤트 간의 무작위 일치 가능성은 0.0052(2.8σ 유의수준)로 계산됨.
• CHIME의 FRB 20190425A 탐지 확률은 빔 중심 기준 0.4%에서 원거리 측면 빔 기준 68%까지 다양하며, 측면 빔에서 밝게 발광할 경우 높은 탐지 가능성 있음.
• 이 연관성은 이중 중성자별 융합 후 초과질량을 가진 고자기 밀집 천체가 붕괴하기 전에 FRB를 방출하는 이론 모델을 지지함.
• 융합 후 잔여 물체는 강성 상태방정식을 가져야 하며, 중성자별의 경우 $M_{\rm TOV} > 2.63_{-0.23}^{+0.39}\,M_\odot$ 또는 쿼라르 별의 경우 $>2.31_{-0.08}^{+0.24}\,M_\odot$ 이상이어야 함.

Figure 2: The expected dispersion measure (DM) distribution inferred from GW190425, compared to non-repeating CHIME FRBs. Blue solid line: the probability distribution of DM after subtracting the contribution from the Milky Way’s interstellar medium (DM-DM MWISM ; see Methods). Orange dashed line: t