[論文レビュー] Deep Synoptic Array Science: First FRB and Host Galaxy Catalog

Casey Law, K. K. Sharma+20 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、パナスタース1からの光学画像を用いて宿主銀河を特定することで、ディープ・シンポティック・アレイ（DSA-110）によって発見された、11個の局所化済みのフレッシュ・ラジオ・バースト（FRB）とその宿主銀河の最初のカタログを提示する。このサンプルは、FRB生成源の遅延時間分布が1億年から20億年以上にわたり広がっており、古くから存在する星族を含む複数の形成経路（例えば、二重コンact物体の進化など）を示唆している。

ABSTRACT

Fast Radio Bursts (FRBs) are a powerful and mysterious new class of transient that are luminous enough to be detected at cosmological distances. By associating FRBs to host galaxies, we can measure intrinsic and environmental properties that test FRB origin models, in addition to using them as precise probes of distant cosmic gas. The Deep Synoptic Array (DSA-110) is a radio interferometer built to maximize the rate at which it can simultaneously detect and localize FRBs. Here, we present the first sample of FRBs and host galaxies discovered by the DSA-110. This sample of 11 FRBs is the largest, most uniform sample of localized FRBs to date, as it is selected based on association to host galaxies identified in optical imaging by Pan-STARRS1. These FRBs have not been observed to repeat and their radio properties (dispersion, temporal scattering, energy) are similar to that of the known non-repeating FRB population. Most host galaxies have ongoing star formation, as has been identified before for FRB hosts. Two hosts of the new sample are massive, quiescent galaxies. The distribution of star-formation history across this host-galaxy sample shows that the delay-time distribution is wide, with a powerlaw model that spans from $\sim100$\,Myr to $\gtrsim2$\,Gyr. This requires the existence of one or more progenitor formation channels associated with old stellar populations, such as the binary evolution of compact objects.

研究の動機と目的

• ディープ・シンポティック・アレイ（DSA-110）干渉計を用いて、アーセコンレベルの精度で高速ラジオバースト（FRB）を高精度で特定・局所化すること。
• パナスタース1の光学画像を用いてFRBの位置を光学源と照合し、各FRBに対して宿主銀河を特定すること。
• FRBの星形成歴および生成源形成 timescale を特定し、起源メカニズムを制限すること。
• FRBの宿主銀河が主に星形成環境に関連しているのか、それとも静止的で質量の大きな銀河も含むのかを検証すること。

提案手法

• DSA-110の電波干渉計を用いて、アーセコンレベルの精度でリアルタイムにFRBを検出・局所化した。
• FRBの位置をパナスタース1調査の光学源と照合し、各FRBに対して宿主銀河を特定した。
• ケック、ヘイル、その他の望遠鏡を用いて、光度およびスペクトロスコピック追跡観測を実施し、宿主銀河の性質を測定した。
• プロスペクターBayesian SEDモデリングを適用し、多バンド光度および線スペクトルを用いて星形成歴を推定した。
• BPT図および線スペクトル（Hα、Hβ、[OIII]、[NII]）を用いて、宿主銀河のイオン化状態および星形成活動を分類した。
• 星形成歴データを用いてFRB生成源の遅延時間分布（DTD）をモデル化し、1億年から20億年以上にわたる範囲でべき乗則モデルをフィットした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB宿主銀河における星形成歴の分布は何か？ これはFRB生成源の形成 timescale にどのような示唆をもたらすか？
• RQ2 FRB宿主銀河は主に星形成を示すものなのか、それとも、以前の検出結果が示唆するように、質量が大きく静止的な銀河も含むのか？
• RQ3 観測されたFRBの性質（分散、散乱、エネルギー）は、既知の非再発性FRB集団と整合するか？
• RQ4 FRBのうち何パーセントが恒久的電波源に関連しているか？ これらの制約は生成源モデルにどのように寄与するか？
• RQ5 FRBの遅延時間分布は、単一の生成源経路で説明可能か、それとも複数の経路を含むモデルが必要か？

主な発見

• DSA-110は11個のFRBを検出し、局所化した。これは、パナスタース1による宿主銀河との関連付けを基準に選別された、これまでで最大かつ最も一貫性のある局所化FRBサンプルである。
• 大多数の宿主銀河は星形成を継続しているが、これは以前のFRB宿主銀河研究と整合する。ただし、2つの宿主銀河は質量が大きく静止的な銀河であった。
• 宿主サンプルの星形成歴は、約1億年から20億年以上にわたる広範な遅延時間分布を示しており、最も適したモデルはべき乗則モデルであった。
• 延長された遅延時間分布は、古くから存在する星族と関連する1つ以上の生成源経路（例えば、二重コンパクト物体の進化など）の存在を示唆している。
• このサンプルでは再発性FRBは検出されず、その電波的性質（分散、散乱、エネルギー）は、広い非再発性FRB集団と整合的であった。
• スペクトロスコピック解析により、大多数の宿主で活発な星形成が確認された。11個のFRB宿主のうち9個で線スペクトルが検出されたが、2つは吸収線レッドシフトしか示さなかった。