[论文解读] FRBs: the Dispersion Measure of Host Galaxies

M. Jaroszyński|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 2被引用 12

一句话总结

利用IllustrisTNG-100模拟，本研究对快速射电暴（FRB）宿主星系中电离气体晕的色散量（DM）进行了建模，发现对于给定恒星质量，平均DM及其标准差均随红移增加。这挑战了以往假设宿主DM恒定的观点，表明在宇宙学FRB测试中，为保持统计精度，需要增加15%–35%的已知红移FRB数量。

ABSTRACT

Using the results of the IllustrisTNG simulation we estimate the dispersion measure which may be attributed to halos of so called host galaxies of fast radio bursts sources (FRBs). Our results show that in contradiction to assumptions used to show the applicability of FRBs to cosmological tests, both the dispersion measure and its standard deviation calculated for host galaxies with given stellar mass in general increase with the redshift. The effect is not strong and cosmological tests using FRBs will be possible, but to preserve the level of statistical uncertainty the number of FRBs with known redshift in a sample should be increased by 15%--35% depending on circumstances. We show various statistical characteristics of ionized gas surrounding galaxies, the resulting dispersion measure and their dependence on the host galaxy stellar mass, redshift, and the projected distance of a FRB source from its host center. Cosmology: theory -- Galaxies: halos -- large-scale structure of Universe

研究动机与目标

• 评估宿主星系晕对快速射电暴（FRB）观测色散量（DM）的贡献。
• 研究宿主DM及其弥散如何依赖于宿主恒星质量、红移以及距星系中心的投影距离。
• 评估宿主DM演化对基于FRB的宇宙学测试的影响，特别是依赖于红移–DM关系的研究。
• 提供一种基于物理的、模拟驱动的宿主DM估计，以支持FRB宇宙学中的统计建模。

提出的方法

• 本研究使用IllustrisTNG-100宇宙学模拟，提取不同恒星质量星系周围星系晕中自由电子的分布。
• 利用模拟中的气体单元和暗物质晕边界，计算距星系中心距离的角平均电子密度剖面。
• 通过沿视线路径对电子密度积分计算色散量：$\mathrm{DM} = \int n_e \, ds$，适用于不同红移和距宿主中心的投影距离。
• 在不同红移和宿主质量下，对模拟FRB源集合计算平均DM和标准差等统计特性。
• 结果按恒星质量和红移分箱，并对$1+z$因子进行校正，以便与源帧中观测到的DM进行比较。
• 将结果与FRB 190608及银河系晕的观测估计进行对比，以验证基于模拟的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于恒星质量固定的星系，宿主星系对色散量（DM）的贡献如何随红移变化？
• RQ2 如先前宇宙学FRB研究中所假设的那样，宿主DM的标准差是否随红移保持不变？
• RQ3 宿主DM如何依赖于FRB距宿主星系中心的投影距离？
• RQ4 基于模拟的宿主DM估计与FRB 190608和银河系的观测估计相比如何？
• RQ5 如果宿主DM随红移增加，为在FRB宇宙学生样本中保持统计精度，需要施加多大的校正因子？

主要发现

• 对于给定宿主恒星质量，宿主色散量（$\mathrm{DM}_{\rm host}$）的平均值及其标准差随红移增加，这与宿主DM与红移无关的假设相矛盾。
• 对于恒星质量$M_* \leq 10^9~\mathrm{M}_\odot$的宿主星系，宿主DM贡献可忽略不计，但此类低质量宿主在宇宙学感兴趣的红移上极不可能被探测到。
• 在红移$z=0.5$时，宿主DM标准差相比$z=0$增加31%；在$z=3$时增加37%，表明距离越远，不确定性越大。
• 对于距宿主中心3 kpc的源，标准差在$z=0.5$时增加18%，在$z=3$时增加25%，因此需要更大的样本量以维持精度。
• 对FRB 190608宿主星系（$M_* \approx 2.5 \times 10^{10}~\mathrm{M}_\odot$，$z=0.12$）的预测宿主DM为$144 \pm 30$ pc/cm³，比Chittidi等人（2020）的观测估计值30–80 pc/cm³高出1.5至3倍。
• 为保持宇宙学测试中的统计不确定性，由于宿主DM弥散随红移变化，具有已知红移的FRB数量必须增加15%–35%，具体取决于红移和宿主质量。