[논문 리뷰] Dispersion measures of fast radio burst host galaxies derived from IllustrisTNG simulation

G. Q. Zhang, Hai Yu외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 28.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 우주론적 시뮬레이션인 IllustrisTNG를 사용하여 빠른 라디오 폭발(FRB)의 주변 은하에서 기인하는 분산 계수(DM)를 모델링하고, 반복 발생과 비반복 발생 FRB에 대해 적색편이에 따라 변화하는 DM 분포를 도출한다. 반복 발생 FRB 121102 유형의 은하에서는 중앙값 DM_host ≈ 35(1+z)^1.08 pc cm⁻³, 비반복 발생 FRB 180916 유형의 은하에서는 ≈ 96(1+z)^0.83 pc cm⁻³를 나타내며, 비반복 발생 FRB의 경우 중앙값 DM_host ≈ 33(1+z)^0.84 pc cm⁻³를 보이며, 모든 경우에서 적색편이 추론을 위한 로그정규분포에 잘 맞는다.

ABSTRACT

We calculate the dispersion measures (DMs) contributed by host galaxies of fast radio bursts (FRBs). Based on a few host galaxy observations, a large sample of galaxy with similar properties to observed ones has been selected from the IllustrisTNG simulation. They are used to compute the distributions of host galaxy DMs for repeating and non-repeating FRBs. For repeating FRBs, we infer the DM$ _{\mathrm{host}} $ for FRBs like FRB 121102 and FRB 180916 by assuming that the burst sites are tracing the star formation rates in host galaxies. The median DM$_{\mathrm{host}}$ are $35 (1+z)^{1.08}$ and $96(1+z)^{0.83}$ pc cm$^{-3}$ for FRBs like FRB 121102 and FRB 180916, respectively. In another case, the median of DM$_{\mathrm{host}}$ is about $30 - 70$ pc cm$^{-3}$ for non-repeating FRBs in the redshift range $z=0.1-1.5$, assuming that the burst sites are the locations of binary neutron star mergers. In this case, the evolution of the median DM$_{\mathrm{host}}$ can be calculated by $33(1+z)^{0.84}$ pc cm$^{-3}$. The distributions of DM$_{\mathrm{host}}$ of repeating and non-repeating FRBs can be well fitted with the log-normal function. Our results can be used to infer redshifts of non-localized FRBs.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 시뮬레이션을 사용하여 관측된 FRB 주변 은하의 특성(예: 항성 질량, 항성 형성률)과 일치하는 은하를 선별하여, FRB 주변 은하에 기인하는 분산 계수(DM)의 분포를 규명하는 것.
• 관측된 FRB 주변 은하 특성을 바탕으로 주변 DM 기여를 모델링하여 비국소화된 FRB의 적색편이를 추론하는 것.
• 다른 물리적 가정 하에 반복 발생 FRB(FRB 121102, FRB 180916 등)와 비반복 발생 FRB의 주변 DM 분포를 비교하는 것.
• 주변 은하의 항성 질량 및 항성 형성률에 대한 선택 기준의 변화에 따라 결과가 얼마나 강인한지 평가하는 것.

제안 방법

• 관측된 FRB 주변 은하의 특성(예: 항성 질량, 항성 형성률)과 일치하는 은하를 IllustrisTNG 시뮬레이션에서 선별하여 통계적 분석을 수행한다.
• 반복 발생 FRB의 경우 항성 형성률(SFR)에 기반한 FRB 폭발 위치를 시뮬레이션하고, 비반복 발생 FRB의 경우 이중 중성자별 합병 위치를 기반으로 한다.
• 주변 은하의 기체 및 항성 구성 요소를 관통하는 시선 방향 경로를 따라 전자 밀도를 통합하여 DM_host를 계산한다.
• 이산적인 적색편이 간격 사이의 중간 적색편이에서 DM_host를 추정하기 위해 선형 보간을 적용한다.
• 가짜 FRB 샘플을 생성하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하고, 최대우도추정법을 사용하여 가짜 적색편이를 유도한다.
• 통계적 추론을 위한 천체물리적 응용을 위해 DM_host 분포를 로그정규함수로 피팅한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복 발생 FRB 121102 유형의 주변 은하에 대해 다양한 적색편이에서 기대되는 주변 은하 DM 분포는 어떠한가?
• RQ2 이중 중성자별 합병에서 기인한다는 가정 하에 비반복 발생 FRB의 주변 DM 분포는 어떻게 다를까?
• RQ3 선택 기준(예: 항성 질량 및 항성 형성률 범위)의 변화가 유도된 DM_host 분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 모의된 DM_host 분포를 사용하여 비국소화된 FRB의 적색편이를 정확하게 추론할 수 있는가?
• RQ5 모의된 DM_host 분포는 국소화된 FRB의 관측 제약 조건과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• FRB 121102 유형의 주변 은하에 대해 중앙값 DM_host는 적색편이 z = 0.1에서 1.5 사이에서 35(1+z)^1.08 pc cm⁻³로 변화한다.
• FRB 180916 유형의 주변 은하에 대해 중앙값 DM_host는 96(1+z)^0.83 pc cm⁻³로 변화하며, 더 높은 질량과 항성 형성 활동을 지닌 은하로 인해 더 높은 내재된 DM을 반영한다.
• 비반복 발생 FRB의 경우, 폭발 위치가 이중 중성자별 합병 위치를 따라간다는 가정 하에 중앙값 DM_host는 33(1+z)^0.84 pc cm⁻³로 변화한다.
• 반복 발생 및 비반복 발생 FRB 모두의 DM_host 분포는 로그정규함수로 잘 기술된다.
• 최대우도추정법은 시뮬레이션된 FRB의 입력 적색편이 분포를 성공적으로 복원하여, 가짜 적색편이 추론을 위한 방법의 타당성을 입증한다.
• 선택 기준의 변화에 대해 결과가 강인한 것으로 나타났으며, 항성 질량 및 항성 형성률의 좁은 범위에서도 유사한 DM_host 분포를 얻는다.