[논문 리뷰] Deep Synoptic Array science: a 50 Mpc fast radio burst constrains the mass of the Milky Way circumgalactic medium

Vikram Ravi, Morgan Catha외 22명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 03.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 12

한 줄 요약

DSA-110이 FRB 20220319D를 50 Mpc 거리에 있는 근처의 바형 나선은하로 국지화하고 DM 모델링과 호스트 환경 분석을 사용하여 우리 은하 CGM 질량에 대한 보수적인 상한을 제시하며, M_CGM < 1e11 태양질량을 시사한다.

ABSTRACT

We present the Deep Synoptic Array (DSA-110) discovery and interferometric localization of the so far non-repeating FRB 20220319D. The FRB originates in a young, rapidly star-forming barred spiral galaxy, IRAS 02044$+$7048, at just 50 Mpc. Although the NE2001 and YMW16 models for the Galactic interstellar-medium (ISM) contribution to the DM of FRB 20220319D exceed its total observed DM, we show that uncertainties in these models accommodate an extragalactic origin for the burst. We derive a conservative upper limit on the DM contributed by the circumgalactic medium (CGM) of the Milky Way: the limit is either 28.7 pc cm$^{-3}$ and 47.3 pc cm$^{-3}$, depending on which of two pulsars nearby on the sky to FRB 20220319D is used to estimate the ISM DM. These limits both imply that the total Galactic CGM mass is $&lt;10^{11}M_{\odot}$, and that the baryonic mass of the Milky Way is $\lesssim60\%$ of the cosmological average given the total halo mass. More stringent albeit less conservative constraints are possible when the DMs of pulsars in the distant globular cluster M53 are additionally considered. Although our constraints are sensitive to possible anisotropy in the CGM and to the assumed form of the radial-density profile, they are not subject to uncertainties in the chemical and thermal properties of the CGM. Our results strongly support scenarios commonly predicted by galaxy-formation simulations wherein feedback processes expel baryonic matter from the halos of galaxies like the Milky Way.

연구 동기 및 목표

• 가까운 FRB를 이용해 secure한 초외 은하 기원을 바탕으로 우리 은하 CGM 질량에 대한 제약을 유도한다.
• 국부적 불확실성을 고려하여 Galactic ISM 모델(NE2001, YMW16)과 FRB DM의 일치 가능성을 평가한다.
• 선상 sightline에서 DM_ISM를 경유해 FRB DM 정보를 펄서 및 H-알파 기반 ISM/DM 프록시와 결합해 제약한다.
• 우리 은하의 바디언(content) 및 피드백 관련 CGM 질량에 대한 함의를 유도한다.
• 호스트 은하 환경과 FRB 위치 고정이 CGM 질량 추정에 어떤 정보를 주는지 평가한다.

제안 방법

• DSA-110으로 FRB 20220319D를 관측하고 전압 데이터를 일관되게 결합하여 정밀 위치를 구한다.
• 디컨볼루션 및 이미징을 통해 90% 신뢰 구간의 국지화 타원체를 도출하고 버스트 특성(DM, 플루언스, RM, 스펙트럼)을 측정한다.
• 관찰된 DM을 은하 ISM 모델 예측(NE2001, YMW16)과 근처 펄서들의 DM과 비교해 FRB의 외 은하 기원을 평가한다.
• 시야를 따라 DM_ISM 추정을 교차 확인하기 위해 구상성단 펄서 및 H-알파 방출 측정값을 활용한다.
• 스펙트로스코피 분석, SED 피팅(Prospector), 스타-포메이션 지표를 통해 FRB 호스트 환경을 특징짓는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근처 FRB가 DM 기여를 통해 우리 은하 CGM 질량을 제약할 수 있는가?
• RQ2 은하 ISM 모델과 근처 펄서 DM이 FRB 20220319D를 외 은하로 간주하도록 허용하는가(관측 DM에 비추어) ?
• RQ3 이 sightline에서 우리 은하 CGM이 기여하는 DM의 보수적 상한은 무엇이며, 그것이 M_CGM 및 우리 은하의 바리언 질량 비율에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 FRB 호스트 은하 환경이 CGM 질량 및 피드백 과정에 대한 해석에 어떤 정보를 주는가?

주요 결과

• FRB 20220319D는 IRAS 02044+7048와 z=0.0111(거리 약 50 Mpc)과 연관되어 있으며 DM_obs = 110.95 pc cm^-3이다.
• DM_CGM에 대한 보수적 상한은 28.7 pc cm^-3 또는 인접한 어떤 펄서의 ISM DM을 사용할지에 따라 47.3 pc cm^-3일 수 있다.
• 이 상한은 M_CGM < 1e11 Msun 및 가정된 홀의 질량에 대해 우리 은하 질량-비율이 우주적 평균의 대략 60% 미만임을 시사한다.
• 먼 거리에 있는 구상성단 M53의 펄서들의 DM를 포함하면 더 엄격하고 보수적이지 않은 제약이 가능하다.
• 이 결과는 피드백이 우리 은하와 같은 질량의 홀에서 바리온 물질을 배출한다는 은하 형성 시뮬레이션을 지지한다.
• DM 기반 CGM 제약은 CGM 비등방성 및 반경 밀도 프로파일 가정에 대해 견고할 수 있음을 시사한다.