[论文解读] Fast Radio Bursts as Probes of Magnetic Fields in Filaments of Galaxies

Takuya Akahori, Dongsu Ryu+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 1

一句话总结

本文提出利用具有测量色散量（DM）和法拉第旋转量（RM）的快速射电暴（FRB）来探测宇宙丝状结构中的星际磁场（IGMF）。通过排除经过星系团的FRB，丝状结构中视线方向的IGMF强度被估计为 $ B_{||} \approx C(\langle 1+z \rangle / f_{\text{DM}})(\text{RM}/\text{DM}) $，其中 $ C $ 为常数，$ \langle 1+z \rangle $ 和 $ f_{\text{DM}} $ 仅由宇宙学和DM推导得出，模拟结果证实该估计器与丝状结构中真实的密度加权IGMF高度一致。

ABSTRACT

We examine the proposal that the dispersion measures (DMs) and Faraday rotation measures (RMs) of extragalactic linearly-polarized fast radio bursts (FRBs) can be used to probe the intergalactic magnetic field (IGMF) in filaments of galaxies. The DM through the cosmic web is dominated by contributions from the warm-hot intergalactic medium (WHIM) in filaments and from the gas in voids. On the other hand, RM is induced mostly by the hot medium in galaxy clusters, and only a fraction of it is produced in the WHIM. We show that if one excludes FRBs whose sightlines pass through galaxy clusters, the line-of-sight strength of the IGMF in filaments, $B_{||}$, is approximately $C(\langle 1+z angle/f_{DM})(RM/DM)$, where $C$ is a known constant. Here, the redshift of the FRB is not required to be known; $f_{DM}$ is the fraction of total DM due to the WHIM, while $\langle 1+z angle$ is the redshift of interevening gas weighted by the WHIM gas density, both of which can be evaluated for a given cosmology model solely from the DM of an FRB. Using data on structure formation simulations and a model IGMF, we show that $C(\langle 1+z angle/f_{DM})(RM/DM)$ closely reproduces the density-weighted line-of-sight strength of the IGMF in filaments of the large-scale structure.

研究动机与目标

• 开发一种利用快速射电暴（FRB）估算宇宙丝状结构中视线方向星际磁场（IGMF）强度的方法。
• 分离FRB视线中来自温热星际介质（WHIM）的色散量（DM）和法拉第旋转量（RM）贡献。
• 通过排除视线经过星系团的FRB，消除星系团对IGMF估算的污染。
• 推导一个仅依赖可观测FRB参数（DM、RM）和宇宙学参数的IGMF强度公式，无需红移信息。
• 利用结构形成模拟验证该方法，确认其在恢复丝状结构中真实密度加权IGMF方面的准确性。

提出的方法

• 该方法使用法拉第旋转量（RM）与色散量（DM）的比值作为视线方向磁场强度的代理指标。
• 应用一个已知常数 $ C $ 作为校正因子，将RM/DM比值转换为物理上合理的视线IGMF强度 $ B_{||} $ 估计值。
• 公式 $ B_{||} \approx C(\langle 1+z \rangle / f_{\text{DM}})(\text{RM}/\text{DM}) $ 包含 $ \langle 1+z \rangle $（中间介质气体的红移加权平均）和 $ f_{\text{DM}} $（DM中来自WHIM的比例），二者均可仅从宇宙学和DM推导得出。
• 通过排除视线经过星系团的FRB，避免热星系团等离子体主导的RM贡献，从而隔离WHIM的贡献。
• 该方法依赖宇宙学结构形成模拟来建模WHIM和IGMF的分布，并测试估计器的准确性。
• 通过将估计器输出与模拟丝状结构中真实的密度加权视线IGMF进行比较，验证了估计器的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB能否在不依赖FRB红移信息的情况下，用于估算宇宙丝状结构中的星际磁场（IGMF）？
• RQ2 FRB的法拉第旋转量（RM）在多大程度上反映温热星际介质（WHIM）中的磁场，而非星系团中的磁场？
• RQ3 仅利用DM和RM，结合物理解释的标度公式，能否高精度重建丝状结构中视线方向的IGMF强度？
• RQ4 排除视线经过星系团的FRB对丝状结构中IGMF估算精度有何影响？
• RQ5 所推导的估计器 $ C(\langle 1+z \rangle / f_{\text{DM}})(\text{RM}/\text{DM}) $ 是否能准确再现模拟大尺度结构中真实的密度加权IGMF？

主要发现

• 估计器 $ B_{\parallel} \approx C(\langle 1+z \rangle / f_{\text{DM}})(\text{RM}/\text{DM}) $ 能够准确恢复模拟大尺度结构中丝状结构的真实密度加权视线IGMF强度。
• 该方法无需FRB红移信息，因为 $ \langle 1+z \rangle $ 和 $ f_{\text{DM}} $ 可仅从宇宙学和观测到的DM推导得出。
• 排除视线经过星系团的FRB显著提高了IGMF估算的准确性，有效去除了热星系团等离子体主导的RM贡献。
• WHIM在丝状结构中主导了DM贡献，而仅有一小部分RM来自WHIM，这为以DM为主追踪WHIM贡献、以RM为主探测磁场提供了合理依据。
• 该估计器在多个丝状结构中与模拟IGMF表现出高度一致，证实其在真实宇宙学条件下的鲁棒性。
• 该方法为宇宙丝状结构中的IGMF提供了直接、可观测的探测手段，使未来能够对星际介质中磁场演化施加约束。