[論文レビュー] A luminous fast radio burst that probes the Universe at redshift 1

S. D. Ryder, K. W. Bannister+19 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、赤方偏移 z = 1.016 ± 0.002 の明るいフレッシュ・ラジオ・バースト（FRB）20220610A の検出を報告している。このバーストは ASKAP を用いて複雑な宿主銀河系に局在化された。バーストは高い分散測定値（1458.15 pc cm⁻³）、顕著なパルス幅拡大（0.511 ± 0.012 ms）、およびファラデー回転（RM = 215 ± 2 rad m⁻²）を示しており、銀河間物質および宿主銀河内の乱流的で磁化されたプラズマを通過したことを示唆している。バーストのエネルギーは 2 × 10⁴² erg であり、これは最大 FRB エネルギーを再評価するもので、高赤方偏移における宇宙のバリオンを稀に探査する手がかりを提供する。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are millisecond-duration pulses of radio emission originating from extragalactic distances. Radio dispersion on each burst is imparted by intervening plasma mostly located in the intergalactic medium. We observe a burst, FRB 20220610A, in a morphologically complex host galaxy system at redshift $z=1.016 \pm 0.002$. The burst redshift and dispersion are consistent with passage through a substantial column of material from the intergalactic medium. The burst shows evidence for passage through additional turbulent magnetized plasma, potentially associated with the host galaxy. We use the burst energy of $2 imes 10^{42}$ erg, to revise the maximum energy of an FRB.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移での明るいフレッシュ・ラジオ・バースト（FRB）の局在化を通じて、宇宙論的モデルを検証すること。
• 分散測定値（DM）と回転測定値（RM）を測定し、銀河間物質および宿主銀河内のプラズマ含量を推定すること。
• バーストの固有エネルギーを特定し、FRBの全放射エネルギーの上限を再評価すること。
• 宿主銀河プラズマが、DM のみからの赤方偏移推定を歪める役割を調査すること。
• z > 1 におけるマクアート関係を用いて、宇宙のバリオン含量および膨張速度をプローブすること。

提案手法

• ASKAP ラジオ干渉計が 36 ビームを用いてリアルタイムでバーストを検出することで、0.5 arcsec の精度でサブアーキセコンドの局在化を実現した。
• 電圧データを用いて、分散スメアリングを補正した高時間分解能および偏光特性を再構築した。
• パルス幅拡大は、1147.5 MHz を基準周波数として 0.511 ± 0.012 ms で測定され、周波数依存性 ν⁻⁴ を仮定した。
• ファラデー回転は回転測定値（RM = 215 ± 2 rad m⁻²）を用いて定量化され、補正後には偏光度が 96 ± 1% に達した。
• 宿主銀河の成分の星族質量と赤方偏移は、スペクトルエネルギー分布（SED）フィッティングおよび VLT/X-shooter スペクトロスコピーを用いて推定された。
• 宿主銀河の DM は、集団モデルを用いて導出され、宿主および銀河間物質からの過剰 DM に制約が与えられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB 20220610A の赤方偏移は何か？ また、z > 1 におけるマクアート関係の妥当性は確認できるか？
• RQ2 全分散測定値のうち、銀河間物質と宿主銀河の寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ3 観測されたパルス幅拡大およびファラデー回転は、中間の乱流的プラズマの性質をどのように制約するか？
• RQ4 バーストの固有エネルギーは何か？ また、過去の FRB エネルギー上限と比較するとどうなるか？
• RQ5 このバーストを用いて、高赤方偏移における宇宙のバリオン分率およびハッブル定数を測定できるか？

主な発見

• FRB 20220610A は z = 1.016 ± 0.002 に局在化され、確認された宿主銀河を持つ最高赤方偏移の FRB である。
• バーストの分散測定値は 1458.15⁺⁰.²⁵₋₀.⁵⁵ pc cm⁻³ であり、ASKAP で検出された 55 個の FRB の中で最高値である。
• 1147.5 MHz におけるパルス幅拡大 0.511 ± 0.012 ms は、乱流的プラズマによる散乱を示しており、1.4 GHz における散乱時間スケールは 1.88 ± 0.02 ms である。
• 回転測定値（RM）は 215 ± 2 rad m⁻² であり、96 ± 1% の高い線形偏光度を示しており、ファラデー分散が小さい（σ_RMs < 0.6 rad m⁻²）ことを示唆している。
• バーストの放射エネルギーは 2 × 10⁴² erg であり、FRB エネルギーの上限を再評価し、極めて高い明るさを示している。
• 宿主銀河系は三つの形態的に異なる成分から構成されており、成分（c）が z = 1.016 で最も強い [O ii] 線発光を示しており、バーストの赤方偏移と整合的である。