[論文レビュー] Polarization properties of FRB 20201124A from detections with the 100-m Effelsberg Radio Telescope

G H Hilmarsson, L. G. Spitler+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、1.36 GHzで100メートルのエーフェルスベルク電波望遠鏡を用いて、繰り返し発生するフレッシュ・ラジオ・バースト（FRB 20201124A）の高時間分解能の偏光観測を実施し、20個のバーストを検出。平均的な偏光度が75%以上に達する非常に高い線形偏光、繰り返し発生するFRBにおける円偏光の初検出、および変動が著しい回転マグネチック・メジャー（RM ≈ −601 rad m⁻²、σ = 11.1 rad m⁻²）を報告。これは、若齢の磁星が超新星残骸に存在する強力な局所磁場環境を示しており、一致する。

ABSTRACT

The repeating FRB source, FRB 20201124A, was found to be highly active in March and April 2021. We observed the source with the Effelsberg 100-m radio telescope at 1.36 GHz on 9 April 2021 and detected 20 bursts. A downward drift in frequency over time is clearly seen from the majority of bursts in our sample. A structure-maximizing dispersion measure (DM) search on the multi-component bursts in our sample yields a DM of 411.6$\pm$0.6 pc/cm$^3$. We find that the rotation measure (RM) of the bursts varies around their mean value of -605 rad/m$^2$ with a standard deviation of 11.1 rad/m$^2$. This RM magnitude is 10 times larger than the expected Galactic contribution along this line of sight (LoS). We estimate a LoS magnetic field strength of 4--6 $μ$G, assuming that the entire host galaxy DM contributes to the RM. Further polarization measurements will help determine FRB 20201124A's RM stability. The bursts are highly linearly polarized, with some showing signs of circular polarization, the first for a repeating FRB. Their polarization position angles (PAs) are flat across the burst envelopes and vary between bursts. We argue that the varying polarization fractions and PAs of FRB 20201124A are similar to known magnetospheric emission from pulsars, while the observed circular polarization, combined with the RM variability, is hard to explain with Faraday conversion. The high linear polarization fractions, flat PAs, and downward drift from FRB 20201124A bursts are similar to previous repeating sources, while the observed circular polarization is a newly seen behaviour among repeaters.

研究の動機と目的

• 高時間分解能観測を用いて、非常に活発な繰り返し発生FRB 20201124Aの偏光特性を特徴づけること。
• 個々のバーストの分散測定（DM）および回転マグネチック・メジャー（RM）を測定し、源の磁気圏および銀河間環境を推定すること。
• 繰り返し発生するFRBにおける円偏光の起源を調査すること。これは、このような源ではこれまで観測されていなかった現象である。
• RMの時間的安定性を評価し、超新星残骸内の磁星駆動FRBモデルと比較すること。
• パulsarと同様に、バーストのドリフトレートや幅と偏光行動との相関関係が存在するかどうかを検討すること。

提案手法

• 観測は、1360 MHzで300 MHz帯域幅、54.6 μs時間分解能を有するP217mm 7ビーム受信機およびPulsar FFTスペクトルアナライザーを搭載した100メートルのエーフェルスベルク電波望遠鏡を用いて実施。
• データは、HEIMDALL、Presto、TransientXソフトウェアを用いて単一パルス検出のための解析を実施。分散補正はDM範囲350–450 pc cm⁻³で実施。
• 複数成分バーストに対して、構造を最大化する分散測定（DM）探索を実施し、最良適合DMとして411.6 ± 0.6 pc cm⁻³を取得。
• 回転マグネチック・メジャー（RM）は、ファラデー分散関数（FDF）フィッティングにより推定され、不確実性はモンテカルロシミュレーションを用いて評価。
• バーストエンベロープ全体にわたり、偏光位置角（PA）および相対的偏光度を測定し、円偏光はスティーブスV解析により評価。
• RMの安定性および源の年齢は、Margalit & Metzger（2018）の超新星残骸内磁星フレームワークを用いてモデル化。RMは源の年齢および磁場強度と関連づけられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB 20201124Aの分散測定（DM）は何か？また、これは宿主銀河および銀河系寄与と比較してどうか？
• RQ2 FRB 20201124Aの回転マグネチック・メジャー（RM）はバースト間でどのように変化するか？これは線路上の磁場環境にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 FRB 20201124Aのバーストのいずれかで円偏光が検出されたか？もしそうであれば、これは放射メカニズムにどのような含意をもたらすか？
• RQ4 バーストの幅および周波数ドリフトレートは、偏光特性とどのように相関するか？これは放射領域にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 観測されたRMおよび磁場強度は、若齢の磁星が超新星残骸に存在する場合に説明可能か？その場合の推定源の年齢は何か？

主な発見

• FRB 20201124Aの分散測定（DM）は411.6 ± 0.6 pc cm⁻³と測定され、宿主銀河寄与と整合的である。
• 回転マグネチック・メジャー（RM）は重み付き平均−601 rad m⁻²を中心に変動し、標準偏差は11.1 rad m⁻²である。これは顕著なRM変動を示している。
• 観測されたRMの大きさは、この線路上の予想される銀河系寄与の10倍以上大きく、強力な局所磁場を示唆する。
• 全宿主DMがRMに寄与すると仮定した場合、線路上の磁場強度は4–6 μGと推定された。
• 検出された20個のバーストのうち15個が高線形偏光（≥75%）を示し、4個のバーストが円偏光（≤20%）を示した。これは、繰り返し発生するFRBにおける円偏光の初検出である。
• 円偏光を示したバーストは、最も極端なRM値を示しており、円偏光と強い磁場構造との間に関連性がある可能性を示唆している。