[論文レビュー] Fast Radio Bursts as Probes of Magnetic Fields in Galaxies at z < 0.5

Alexandra G. Mannings, Rüdiger Pakmor+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、9つの低赤方偏移（z < 0.5）のファストラジオバースト（FRB）の回転測度（RMs）を用いて、それらの宿主銀河内の磁場を調査した。宿主銀河のRMは主に局所的磁場に支配されており、線形平均磁場強度は0.5 μGであった。これはシミュレーションと整合的であり、太陽系近傍の磁場よりも弱いが、星形成 Disk 銀河の観測範囲内に収まっている。

ABSTRACT

We present a sample of nine Fast Radio Bursts (FRBs) from which we derive magnetic field strengths of the host galaxies represented by normal, $z&lt;0.5$ star-forming galaxies with stellar masses $M_* \approx 10^8 -10^{10.5} M_\odot$. We find no correlation between the FRB rotation measure(RM) and redshift which indicates that the RM values are due mostly to the FRB host contribution. This assertion is further supported by strong correlations (Spearman test probabilities $P_S \simeq 0.05$) found between RM and the estimated host dispersion measure ($DM_{Host}$) and host-normalized galacto-centric offset (Spearman $r_S$ values equal to 0.64 and -0.52). For these nine galaxies, we estimate their magnetic field strengths projected along the sightline $B$ finding a low median value of $0.5 μG$. This implies the magnetic fields of our sample of hosts are weaker than those characteristic of the Solar neighborhood ($\approx 6 μG$), but relatively consistent with a lower limit on observed range of $2-10 μG$ for star-forming, disk galaxies, especially as we consider reversals in the B-field, and that we are only probing $B_{\parallel}$. We compare to RMs from simulated galaxies of the Auriga project -- magneto-hydrodynamic cosmological zoom simulations - and find that the simulations predict the observed values to within the $95\%$ CI. Upcoming FRB surveys will provide hundreds of new FRBs with high-precision localizations, rotation measures, and imaging follow-up to support further investigation on the magnetic fields of a diverse population of $z&lt;1$ galaxies.

研究の動機と目的

• FRB の回転測度（RMs）を用いて、低赤方偏移（z < 0.5）の星形成銀河内の磁場強度を測定すること。
• 宿主銀河と外部環境からのRMへの寄与を分離すること。
• 宇宙論的磁気流体力学シミュレーション（Aurigaプロジェクト）に対する観測的制約をテストすること。
• 局所的環境およびISMがFRBのRM値に与える影響を評価すること。

提案手法

• 赤方偏移 z < 0.5 で、宿主銀河の星質量 M* ≈ 10⁸–10¹⁰.⁵ M☉ の9つのFRBの回転測度（RMs）を測定した。
• 線形平均磁場成分 |B∥| を RM と DM_host から式8を用いて導出した。
• RM、DM_host、宿主銀河の性質との間の関係をテストするため、スピアマン順位相関を実施した。
• 観測されたRMsおよび |B∥| 値をAuriga宇宙論的ズームシミュレーションの予測と比較した。
• 観測されたDM_hostと一致するように制限したシミュレートされた視線を用いたフォワードモデリングを実施し、一貫性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低赤方偏移FRBの回転測度（RM）は、主にその宿主銀河の磁場由来であるのか、それとも外部要因由来であるのか？
• RQ2 FRBを宿している z < 0.5 の星形成銀河における線形平均磁場成分 |B∥| の典型的な強度はどの程度か？
• RQ3 観測されたFRBのRMは、ミルキーウェイに類似した銀河を対象としたAuriga宇宙論的シミュレーションの予測とどのように一致するか？
• RQ4 局所的環境やISMの状態が、観測されたRMにどの程度寄与しているか？
• RQ5 FRBのRMと、星質量、SFR、有効半径などの宿主銀河の性質との間に相関があるか？

主な発見

• FRBのRMと赤方偏移（z < 0.5）との間に有意な相関がないことから、RMは外部または銀河間成分よりも主に宿主銀河由来であると示唆される。
• RMとDM_hostとの間に強い正のスピアマン相関（rS = +0.75、p < 0.05）が確認され、RMが主に宿主銀河のプラズマおよび磁場によって駆動されていることを裏付けた。
• 9つのFRB宿主銀河における線形平均磁場強度 |B∥| の中央値は 0.5 μG であり、太陽系近傍の約6 μG より顕著に小さい。
• 観測された |B∥| 値は、磁場の逆転や線形平均投影効果を考慮した場合、星形成ディスク銀河で観測された2–10 μG の範囲の下限に一致する。
• Auriga シミュレーションは、観測データの95%信頼区間内に収まるRMおよび |B∥| の予測値を提示しており、物理的に現実的であることを支持する。
• FRB 20121102A は、観測されたRMが著しく高く、シミュレーションで捉えきれていない非常に強い磁場を持つ局所的環境からの寄与が顕著に見られる例外的例である。