[논문 리뷰] Multiply-imaged time-varying sources behind galaxy clusters - Comparing FRBs to QSOs, SNe, and GRBs

Jenny Wagner, Jori Liesenborgs외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 26.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 80인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 빠른 라디오 폭발(프리버스트, FRB)이 짧고 일시적인 성질과 다중 영상 성분 간 측정 가능한 시간 지연을 활용하여 은하단계 규모의 중력 렌즈 질량 분포를 매우 정밀하게 재구성하는 데 사용될 수 있다고 제안한다. 시뮬레이션과 반복되는 FRB121102를 모델로 사용하여, SKA 2단계가 연간 약 10⁻⁴개의 다중 영상 FRB를 제곱도당 탐지할 수 있을 것으로 추정하며, 시간 지연을 통해 국소 렌즈 성질의 정밀도가 10⁻¹⁰ 이하에 도달할 수 있다. 이는 나이든 은하단계나 초신성보다도 재구성 정확도에서 뛰어나다.

ABSTRACT

With upcoming (continuum) surveys of high-resolution radio telescopes, detection rates of fast radio bursts (FRBs) might approach $10^5$ per sky per day by future extremely large observatories, such as the possible extension of the Square Kilometer Array (SKA) to a phase 2 array. Depending on the redshift distribution of FRBs and using the repeating FRB121102 as a model, we calculate a detection rate of multiply-imaged FRBs with their multiply-imaged hosts caused by the distribution of galaxy-cluster scale gravitational lenses of the order of $10^{-4}$ per square degree per year for a minimum total flux of the host of 10 $μ$Jy at 1.4 GHz for SKA phase 2. Our comparison of estimated detection rates for quasars, supernovae, gamma ray bursts, and FRBs shows that multiple images of FRBs could be more numerous than those of gamma ray bursts and supernovae and as numerous as multiple images of quasars. Time delays between the multiple images of an FRB break degeneracies in model-based and model-independent lens reconstructions as other time-varying sources do, yet without a microlensing bias as FRBs are more point-like and have shorter duration times. We estimate the relative imprecision of FRB time-delay measurements to be $10^{-10}$ for time delays on the order of 100 days for galaxy-cluster scale lenses, yielding more precise (local) lens properties than time delays from the other time-varying sources. Using the lens modelling software Grale, we show the increase in accuracy and precision of the reconstructed scaled surface mass density map of a simulated cluster-scale lens when adding time delays for one set of multiple images to the set of observational constraints.

연구 동기 및 목표

• 향후 SKA 2단계 설문 조사에서 은하단 뒤에 있는 다중 영상 FRB의 탐지 빈도를 추정하기 위해.
• 중력 렌즈 재구성에 있어 FRB가 나이든 은하단계, 초신성, 감마선 폭발과 비교하여 어떤 유용성을 지닌지 비교하기 위해.
• FRB의 시간 지연이 렌즈 질량 재구성의 정확도와 정밀도를 향상시키는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 렌즈 모델의 불확실성 문제를 해결하는 데 있어 다른 시간에 따라 변화하는 소스들과 비교해 FRB의 장점을 평가하기 위해.
• 특히 H₀에 대한 우주론적 파rameter 추정과 은하단 내 질량 변화 탐지 가능성에 대해 탐색하기 위해.

제안 방법

• 반복되는 FRB121102를 템플릿으로 사용하여 FRB 주변 플럭스 및 적색편이 분포를 모델링하여 SKA 2단계에서의 탐지 빈도를 추정하기 위해.
• 은하단 규모 렌즈의 횡단면과 소스 밀도를 기반으로 제곱도당 연간 다중 영상 FRB 예상 수를 계산하기 위해.
• Grale 소프트웨어를 사용하여 은하단 규모 렌즈를 시뮬레이션하여 시간 지연 제약 조건이 렌즈 재구성 정확도에 끼치는 영향을 테스트하기 위해.
• FRB, 나이든 은하단계, 초신성, 감마선 폭발 간 시간 지연 측정 정밀도를 비교하여, 100일 지연에 대해 약 10⁻¹⁰의 상대적 불확실성으로 FRB가 더 정밀한 결과를 낼 수 있음을 확인하기 위해.
• 시간 지연 제약 조건이 질량 시트 불확실성 문제를 완화하고 표면 질량 밀도 지도의 정밀도를 향상시키는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 각도 분리가 약 10 arcsecond이고 시간 지연이 약 100일일 경우, 고해상도 후속 관측이 다중 영상 탐지에 가능할지 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 SKA 2단계 설문 조사에서 은하단 뒤에 있는 다중 영상 FRB의 기대 탐지 빈도는 얼마인가요?
• RQ2 FRB의 시간 지연 측정 정밀도와 재구성 정확도는 나이든 은하단계, 초신성, 감마선 폭발과 비교하여 어떻게 다릅니까?
• RQ3 FRB의 시간 지연은 은하단 규모 렌즈 질량 재구성의 정확도를 어느 정도 향상시킬 수 있나요?
• RQ4 렌즈 연구에 있어 다른 시간에 따라 변화하는 소스들과 비교해 FRB가 가지는 관측적 장점은 무엇입니까?
• RQ5 FRB는 은하단 내에서의 작은 질량 변화를 탐지하거나, 특히 H₀와 같은 우주론적 파rameter 추정에 사용될 수 있나요?

주요 결과

• SKA 2단계에서 1.4 GHz에서 10 µJy의 주변 플럭스 임계값을 가진 다중 영상 FRB의 기대 탐지 빈도는 제곱도당 연간 약 10⁻⁴입니다.
• 약 100일 지연에 대해 FRB의 시간 지연는 상대적 불확실성이 약 10⁻¹⁰에 도달할 수 있으며, 이는 나이든 은하단계, 초신성, 감마선 폭발의 시간 지연보다 더 정밀합니다.
• FRB의 시간 지연 제약 조건을 포함하면 렌즈 모델링에서 스케일링된 표면 질량 밀도 지도의 정확도와 정밀도가 향상되며, 한 개의 시간 지연 제약 조건만으로도 세 개의 제약 조건과 거의 동일한 정확도를 달성할 수 있습니다.
• 시간 지연 제약 조건을 추가하면 질량 시트 불확실성 문제가 완화되고 렌즈 잠재력 재구성의 정밀도가 향상되지만, 일부 경우에 더 얕은 은하단 중심 기울기 추정으로 편향이 발생할 수 있습니다.
• FRB는 초신성보다 높은 탐지 빈도를 보이며, 나이든 은하단계보다 정밀도가 높거나 유사하여 렌즈 연구에 매우 경쟁력이 있습니다.
• 반복되는 FRB는 반복적인 시간 지연 측정을 가능하게 하여 통계적 힘을 높이고, 은하단 내 질량 변화가 10⁵ M☉ 이상인 경우를 탐지할 능력을 향상시킵니다.