[논문 리뷰] The Fast Radio Burst FRB 20201124A in a star forming region: constraints to the progenitor and multiwavelength counterparts

L. Piro, G. Bruni외 17명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 29.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 67인용 수 57

한 줄 요약

이 연구는 반복적인 빠른 은하간 폭발 FRB 20201124A의 다파장 관측을 제시하며, 지속적인 침묵 상태의 전파 방출과 약간의 X선 방출을 검출하였다. 0.8 kpc만큼 은하 중심에서 이격되어 있으며 3 kpc에 걸쳐 퍼져 있는 확장된 전파 소스는 약 10 M⊙yr⁻¹의 항성 형성률을 나타내며, 밀도가 높고 활동적인 영역에서 거대한 별에서 유래한 젊은 자기권성자 원천임을 시사한다. X선 상한값은 자기권성자 모델과 일치한다.

ABSTRACT

We present the results of a multiwavelength campaign of FRB 20201124A, the third closest repeating fast radio burst recently localized in a nearby (z=0.0978) galaxy. Deep VLA observations led to the detection of quiescent radio emission, also marginally visible in X-rays with Chandra. Imaging at 22 GHz allowed us to resolve the source on a scale of $\gtrsim$ 1 arcsec and locate it at the position of the FRB, within an error of 0.2 arcsec. EVN and e-MERLIN observations sampled small angular scales, from 2 to 100 mas, providing tight upper limits on the presence of a compact source and evidence for diffuse radio emission. We argue that this emission is associated with enhanced star formation activity in the proximity of the FRB, corresponding to a star formation rate of $\approx 10\ { m M}_\odot { m yr}^{-1}$. The surface star formation rate at the location of FRB 20201124A is two orders of magnitude larger than typically observed in other precisely localized FRBs. Such a high SFR is indicative of this FRB source being a new-born magnetar produced from a SN explosion of a massive star progenitor. Upper limits to the X-ray counterparts of 49 radio bursts observed in our simultaneous FAST, SRT and Chandra campaign are consistent with a magnetar scenario.

연구 동기 및 목표

• 다파장 후속 관측을 통해 FRB 20201124A의 원천을 제약 조건을 걸기 위해.
• FRB 소스와 관련된 침묵 상태의 전파 및 X선 대응체를 식별하기 위해.
• 은하계 환경을 조사하고 FRB 원천 모델에 대한 함의를 탐색하기 위해.
• FAST, SRT 및 천문우주망원경 Chandra의 동시 관측 중에 전파 폭발의 X선 대응체를 찾기 위해.
• 전파 및 X선 데이터로부터의 관측 제약 조건을 바탕으로 자기권성자 시나리오를 시험하기 위해.

제안 방법

• 지속적인 전파 방출을 탐지하고 각도적 구조를 해상하기 위해 3 GHz 및 22 GHz에서 깊은 VLA 관측을 수행하였다.
• EVN 및 e-MERLIN를 사용하여 밀리초각도 이하에서 밀리초각도 이하의 해상도로 극단적으로 작고 밀도 높은 전파 소스의 상한값을 설정하였다.
• FAST(1.0–1.5 GHz), SRT(1.5 GHz 및 330 MHz), Chandra X선 우주망원경을 동시에 관측하여 전파 폭발의 X선 대응체를 탐색하였다.
• 스패안다크 파이프라인 및 고유 소프트웨어를 사용하여 디디스퍼전 및 RFI 제거 기법을 적용하여 단일 전파 펄스를 탐지하였다.
• 보정된 바리센트리 보정 및 통계적 방법(Kraft 등 1991)을 사용하여 비일치하는 광자로부터 5σ 상한값을 계산하여 X선 방출량과 에너지를 산정하였다.
• LDT에서의 광학 스펙트로스코피 분석을 통해 발광선 강도를 측정하고 항성 형성률을 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FRB 20201124A와 관련된 지속적인 전파 방출의 성격은 무엇이며, 이는 작고 뭉쳐진 형태인지, 확장된 형태인지?
• RQ2 FRB 20201124A의 은하계 환경에서의 항성 형성률은 얼마이며, 다른 국소화된 FRB들과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ3 FAST 및 SRT에 의해 검출된 전파 폭발에 대해 X선 대응체가 존재하는가? 그리고 이는 중심 엔진에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 전파 및 X선 성질은 자기권성자 원천 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 다파장 관측이 다른 FRB 원천 시나리오에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 3 GHz에서 (340 ± 30) µJy의 전력 밀도를 가진 지속적인 전파 소스가 FRB 20201124A 위치에서 탐지되었으며, ≳1′′ 해상도에서 확장된 방출이 해상되었고, 22 GHz VLA 이미지에서는 PA = 140°에서 2′′ 길이의 구조가 나타났다.
• 이 전파 소스는 은하 중심으로부터 0.42′′(z = 0.0978일 때 0.8 kpc) 이격되어 있으며 약 3 kpc에 걸쳐 퍼져 있어, 밀도 높은 핵심 구조와 일치하지 않는 산란된 확장된 방출임을 시사한다.
• FRB 위치에서의 표면 항성 형성률은 약 10 M⊙yr⁻¹이며, 다른 국소화된 FRB의 평균보다 약 두 배수 높아 매우 활동적인 항성 형성 영역임을 나타낸다.
• EVN 및 e-MERLIN를 통해 2에서 100 mas의 각도 척도에서 작고 뭉쳐진 전파 소스는 탐지되지 않았으며, 이는 중심에 있는 밀도 높은 천체에 대한 엄격한 상한값을 제공한다.
• Chandra에서의 X선 상한값은 FAST 및 SRT에 의해 검출된 49개의 전파 폭발과 유의미한 일치가 없음을 보여주며, X선 방출량에 대한 5σ 상한값 F(2–10 keV) ≲ 2.5 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻² 및 폭발 에너지 E ≲ 6 × 10⁴⁵ erg을 산정하였다.
• X선 대응체에 대한 상한값은 자기권성자 시나리오와 일치하며, 거대한 별의 초신성 폭발로 탄생한 젊고 에너지가 풍부한 중심 엔진을 지지한다.