[论文解读] Multiply-imaged time-varying sources behind galaxy clusters - Comparing FRBs to QSOs, SNe, and GRBs

Jenny Wagner, Jori Liesenborgs+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 80被引用 12

一句话总结

该论文提出，利用快速射电暴（FRB）的短暂特性及其多重像成分之间可测量的时间延迟，可作为高精度探针来重建星系团尺度的引力透镜质量分布。通过模拟和以重复FRB121102为模型，估计SKA第二阶段可能每年在每平方度探测到约10⁻⁴个多重像FRB，其时间延迟可实现局部透镜性质的亚10⁻¹⁰精度——优于类星体和超新星的重建精度。

ABSTRACT

With upcoming (continuum) surveys of high-resolution radio telescopes, detection rates of fast radio bursts (FRBs) might approach $10^5$ per sky per day by future extremely large observatories, such as the possible extension of the Square Kilometer Array (SKA) to a phase 2 array. Depending on the redshift distribution of FRBs and using the repeating FRB121102 as a model, we calculate a detection rate of multiply-imaged FRBs with their multiply-imaged hosts caused by the distribution of galaxy-cluster scale gravitational lenses of the order of $10^{-4}$ per square degree per year for a minimum total flux of the host of 10 $μ$Jy at 1.4 GHz for SKA phase 2. Our comparison of estimated detection rates for quasars, supernovae, gamma ray bursts, and FRBs shows that multiple images of FRBs could be more numerous than those of gamma ray bursts and supernovae and as numerous as multiple images of quasars. Time delays between the multiple images of an FRB break degeneracies in model-based and model-independent lens reconstructions as other time-varying sources do, yet without a microlensing bias as FRBs are more point-like and have shorter duration times. We estimate the relative imprecision of FRB time-delay measurements to be $10^{-10}$ for time delays on the order of 100 days for galaxy-cluster scale lenses, yielding more precise (local) lens properties than time delays from the other time-varying sources. Using the lens modelling software Grale, we show the increase in accuracy and precision of the reconstructed scaled surface mass density map of a simulated cluster-scale lens when adding time delays for one set of multiple images to the set of observational constraints.

研究动机与目标

• 估算利用未来SKA第二阶段巡天探测星系团后方多重像FRB的探测率。
• 比较FRB与类星体、超新星及伽马射电暴在引力透镜重建中的实用性。
• 评估FRB时间延迟对提高透镜质量重建精度和准确度的影响。
• 评估FRB相较于其他变源在打破透镜模型退化问题方面的优势。
• 探索FRB在宇宙学参数估计（特别是H₀）以及探测星系团质量变化方面的潜力。

提出的方法

• 以重复FRB121102为模板，建模FRB宿主星系的流量和红移分布，以估算SKA第二阶段的探测率。
• 基于星系团尺度透镜截面和源密度，计算每平方度每年预期的多重像FRB数量。
• 使用Grale软件模拟星系团尺度透镜，以测试时间延迟约束对透镜重建精度的影响。
• 比较FRB、类星体、超新星和GRB的时间延迟测量精度，结果表明FRB在约100天延迟下可实现约10⁻¹⁰的相对不精确度。
• 评估时间延迟约束对缓解质量平面退化问题及提升表面质量密度图保真度的影响。
• 评估高分辨率后续观测的可行性，以探测多重像，考虑角分离约10角秒、时间延迟约100天的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来SKA第二阶段巡天中，星系团后方多重像FRB的预期探测率是多少？
• RQ2 与类星体、超新星和GRB相比，FRB的时间延迟测量精度和重建准确度如何？
• RQ3 FRB时间延迟在多大程度上能提升星系团尺度引力透镜质量重建的准确度？
• RQ4 与其它变源相比，使用FRB进行透镜研究具有哪些观测优势？
• RQ5 FRB能否用于探测星系团中质量变化（如>10⁵ M☉）或改善宇宙学参数（如H₀）的估计？

主要发现

• 在SKA第二阶段，针对1.4 GHz频段宿主流量阈值为10 µJy的条件下，星系团后方多重像FRB的估计探测率为每平方度每年约10⁻⁴。
• 对于约100天的时间延迟，FRB时间延迟的相对不精确度可控制在约10⁻¹⁰，优于类星体、超新星或GRB的时间延迟测量精度。
• 引入FRB的时间延迟约束可显著提升透镜建模中缩放表面质量密度图的重建准确度与精度，单个时间延迟约束的性能可接近三个约束的水平。
• 时间延迟约束的加入可减轻质量平面退化问题，并提升透镜势重建的保真度，但可能引入对星系团核心斜率偏浅的偏差。
• FRB的探测率高于超新星，且精度与类星体相当或更优，使其在透镜研究中极具竞争力。
• 重复FRB可实现多次时间延迟测量，从而增强统计功效，并具备探测星系团中质量变化超过10⁵ M☉的能力。