[논문 리뷰] FRBs: the Dispersion Measure of Host Galaxies

M. Jaroszyński|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

IllustrisTNG-100 시뮬레이션을 사용하여, 급속 무선파발생기(FRB)의 주변 은하의 이온화 기체 허브에서의 분산 측정값(DM)을 모델링한 이 연구는, 동일한 은하 질량에서 레드시프트에 따라 평균 DM과 그 표준편차가 증가함을 발견하였다. 이는 이전의 일정한 주변 DM을 가정하는 것과 배치되며, 천체물리학적 FRB 테스트에서 통계적 정확도를 유지하기 위해 레드시프트가 알려진 FRB의 수를 15%~35% 더 늘여야 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Using the results of the IllustrisTNG simulation we estimate the dispersion measure which may be attributed to halos of so called host galaxies of fast radio bursts sources (FRBs). Our results show that in contradiction to assumptions used to show the applicability of FRBs to cosmological tests, both the dispersion measure and its standard deviation calculated for host galaxies with given stellar mass in general increase with the redshift. The effect is not strong and cosmological tests using FRBs will be possible, but to preserve the level of statistical uncertainty the number of FRBs with known redshift in a sample should be increased by 15%--35% depending on circumstances. We show various statistical characteristics of ionized gas surrounding galaxies, the resulting dispersion measure and their dependence on the host galaxy stellar mass, redshift, and the projected distance of a FRB source from its host center. Cosmology: theory -- Galaxies: halos -- large-scale structure of Universe

연구 동기 및 목표

• 빠른 무선파발생기(FRB)의 관측된 분산 측정값(DM)에 대한 주변 은하 허브 기여도를 평가하기 위해.
• 주변 DM과 그 산란이 주변 은하 질량, 레드시프트, 은하 중심으로부터의 투영 거리에 따라 어떻게 의존하는지 조사하기 위해.
• evolving 주변 DM 이 FRB를 이용한 천체물리학적 테스트에 미치는 영향을 평가하기 위해, 특히 레드시프트–DM 관계에 의존하는 테스트를 중심으로.
• FRB 천체물리학에서 통계 모델링에 활용할 수 있는 물리적으로 타당한, 시뮬레이션 기반 주변 DM 추정치를 제공하기 위해.

제안 방법

• 연구는 다양한 은하 질량을 가진 은하 주변의 자유 전자 분포를 추출하기 위해 IllustrisTNG-100 천체역학 시뮬레이션을 사용한다.
• 시뮬레이션의 기체 요소와 다크 물질 허브 경계를 이용하여, 은하 중심으로부터의 거리에 따른 각도 평균 전자 밀도 프로파일을 계산한다.
• 선형 경로를 따라 전자 밀도를 통합하여 분산 측정값을 계산한다: $\mathrm{DM} = \int n_e \, ds$, 다양한 레드시프트와 주변 중심으로부터의 투영 거리에서 계산한다.
• 다양한 레드시프트와 주변 질량에서 시뮬레이션된 FRB 소스의 앙상블을 기반으로 평균 DM과 표준편차와 같은 통계적 특성을 계산한다.
• 결과는 은하 질량과 레드시프트 기반으로 분할되며, 관측된 소스 프레임의 DM과 비교하기 위해 $1+z$ 인자에 따라 주변 DM을 보정한다.
• 예측된 결과는 FRB 190608과 은하계 허브의 관측적 추정치와 비교되어 시뮬레이션 기반 예측의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 은하 질량을 가진 은하에서 주변 은하 기여도가 레드시프트에 따라 분산 측정값(DM)에 어떻게 변화하는가?
• RQ2 이전의 천체물리학적 FRB 연구에서 가정한 바와 같이, 주변 DM의 표준편차가 레드시프트에 따라 일정한가?
• RQ3 FRB가 주변 은하 중심으로부터의 투영 거리에 따라 주변 DM은 어떻게 의존하는가?
• RQ4 시뮬레이션 기반 주변 DM 추정치는 FRB 190608과 은하계의 관측적 추정치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 주변 DM이 레드시프트에 따라 증가한다면, 통계 정밀도를 유지하기 위해 FRB 천체물리학 샘플에 필요한 보정 인자는 무엇인가?

주요 결과

• 고정된 주변 은하 질량에서 평균 주변 분산 측정값($\mathrm{DM}_{\rm host}$)과 그 표준편차는 레드시프트에 따라 증가하며, 이는 레드시프트에 독립적인 주변 DM을 가정하는 것과 배치된다.
• 은하 질량 $M_* \leq 10^9~\mathrm{M}_\odot$ 인 주변 은하의 경우 주변 DM 기여는 무시할 수 없지만, 이러한 저질량 은하는 천체물리학적으로 관심 있는 레드시프트에서 탐지될 가능성이 낮다.
• 레드시프트 $z=0.5$ 에서는 $z=0$ 에 비해 주변 DM 표준편차가 31% 증가하고, $z=3$ 에서는 37% 증가하여 거리 증가에 따라 불확실성이 커짐을 시사한다.
• 은하 중심으로부터 3 kpc 떨어진 소스의 경우, $z=0.5$ 에서 표준편차가 18% 증가하고 $z=3$ 에서는 25% 증가하여 정밀도를 유지하기 위해 더 큰 표본 크기가 필요하다.
• FRB 190608의 주변 은하($M_* \approx 2.5 \times 10^{10}~\mathrm{M}_\odot$, $z=0.12$)에 대한 예측 주변 DM은 $144 \pm 30$ pc/cm³이며, Chittidi 등(2020)의 관측 추정치 30–80 pc/cm³보다 1.5~3배 높다.
• 주변 DM의 레드시프트 의존성으로 인해 통계적 불확실성을 유지하기 위해, 레드시프트와 주변 질량에 따라 레드시프트가 알려진 FRB의 수를 15%~35% 증가시켜야 한다.