[논문 리뷰] Reconstruction of Reionization History through Dispersion Measure of Fast Radio Bursts

Ji-Ping Dai, Jun‐Qing Xia|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 23.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 54인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 빠른 라디오 폭발(FRB)의 분산 계수(DM)의 대규모 각도 클러스터링을 사용하여 재이온화 역사에 대한 보조적 제약 조건을 설정하는 방법을 제안한다. 이는 각 소스의 정밀한 적색편이가 아니라 근사적인 적색편이 분포만을 활용한다. 약 10⁴개의 FRB가 천구의 20%를 차지할 경우, 재이온화 기간의 제약 조건을 크게 강화할 수 있으며, 95% 신뢰수준에서 z_dur < 2.24로 줄어들고, z=6에서 이온화 분율을 1σ 오차 Δxₑ(z=6)=0.012로 정밀하게 측정할 수 있다.

ABSTRACT

In this paper, we study the evolution of the ionization fraction $x_e(z)$ during the epoch of reionization by using the dispersion measurements (DMs) of fast radio bursts (FRBs). Different from the previous studies, here we turn to consider the large-scale clustering information of observed DMs of FRB catalog, which only needs the rough redshift distribution, instead of the exact redshift information of each FRB. Firstly, we consider the instantaneous `` exttt{tanh}'' model for $x_e(z)$ and find that including the auto-correlation information of the mock catalog, about $10^4$ FRBs with the intrinsic DM scatter of 100 $ m pc/cm^3$ spanning 20\% of all sky, could significantly improve the constraint on the width $Δ_z$ of the model, when comparing with that from the CMB data alone. The evolution shape of the ionization fraction will be tightly narrowed, namely the duration of the epoch of reionization has been shrunk, $z_{ m dur}&lt;2.24$ (95\% C.L.). Furthermore, we also use another redshift-asymmetric reionization model and obtain that the FRB mock catalog could measure the ionization fraction at $z=6$ precisely with the $1σ$ error $Δx_e(z=6)=0.012$, which means that the large-scale clustering information of observed DMs of FRB catalog is very sensitive to the ionization fraction of the end of reionization epoch. We conclude that the observation of high-redshift FRBs could be a complementary probe to study the reionization history in the future.

연구 동기 및 목표

• 각각의 소스에 대한 정밀한 적색편이가 필요 없이, FRB 분산 계수(DM)의 대규모 클러스터링만을 이용하여 재이온화 역사에 대한 제약 조건을 설정하는 방법을 개발하는 것.
• CMB 데이터와 조합된 FRB DM 천구적 파워 스펙트럼이 재이온화 시점의 형태와 지속 기간을 탐색하는 데 얼마나 강력한 제약 조건을 제공하는지 평가하는 것.
• 특히 재이온화의 끝단과 고적색편이에서의 이온화 분율에 대해, CMB 데이터보다 더 강력한 제약 조건을 FRB DM 측정이 제공할 수 있는지 평가하는 것.
• 비대칭 재이온화 모델, 특히 z=6에서의 이온화 분율에 대해 DM 클러스터링의 민감도를 시험하는 것.
• 재이온화 파rameter들인 τ, z_re, z_dur 등의 제약 조건을 크게 향상시키기 위해 필요한 FRB의 수와 분포를 결정하는 것.

제안 방법

• 은하간 매질(IGM), 주변 은하계, 그리고 은하수를 포함한 관측된 DM을 모델링하고, 은하수 성분을 제거하여 간행성 외부 DM을 분리하는 것.
• tanh 모델과 적색편이 비대칭 모델을 사용하여 재이온화 역사로 나타내는 이온화 분율 xₑ(z)를 적색편이의 함수로 매개변수화하는 것.
• Hubble 파라미터 H(z)와 자유 전자 밀도 nₑ(θ,z)를 포함하여, 적색편이 분포 및 이온화 분율 모델을 기반으로 DM 필드의 이론적 천구적 파워 스펙트럼(APS)을 계산하는 것.
• 사실상 DM 산란(σ_host = 100 pc/cm³)과 천구 커버리지(20%)를 고려하여, 파워 스펙트럼에서 DM 자가상관 함수를 유도하는 것.
• 모의 DM APS를 Planck 2018 CMB 측정치와 조합하여 연합 우도 분석을 수행하고, 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 샘플링을 사용하여 재이온화 파rameter를 제약 조건화하는 것.
• DM 데이터 유무를 비교하여 제약 조건 향상 정도를 평가하며, 특히 전이 폭 Δ_z, 지속 기간 z_dur, 그리고 z=6에서의 이온화 분율에 초점을 맞추는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FRB 분산 계수(DM)의 대규모 클러스터링은 CMB 데이터만으로 얻을 수 있는 제약 조건보다 재이온화 역사에 대해 더 강력한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 DM 파워 스펙트럼은 재이온화 시점의 전이 폭 Δ_z와 지속 기간 z_dur에 얼마나 민감한가?
• RQ3 FRB DM 측정치는 고적색편이, 특히 재이온화가 끝나는 z=6에서의 이온화 분율을 정밀하게 제약 조건화할 수 있는가?
• RQ4 DM 클러스터링 데이터의 포함이 광학적 두께 τ와 재이온화 적색편이 z_re에 대한 제약 조건을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 재이온화 파rameter 제약 조건을 크게 향상시키기 위해 필요한 FRB의 수와 분포는 무엇인가?

주요 결과

• 약 10⁴개의 FRB가 천구의 20%를 차지하고 σ_host = 100 pc/cm³일 경우, DM 클러스터링 파워 스펙트럼이 재이온화 지속 기간에 대한 95% 신뢰수준 상한선을 z_dur < 2.24로 줄여주는 것으로 나타났다.
• DM 파워 스펙트럼은 전이 폭 Δ_z에 대한 제약 조건을 Δ_z < 1.02(95% C.L.)로 향상시켜 CMB 단독 제약 조건 대비 약 2배 향상된 것으로 나타났다.
• 비대칭 적색편이 모델에서 z=6에서의 이온화 분율은 xₑ(z=6) = 0.985 ± 0.012(68% C.L.)로 제약 조건화되었으며, 재이온화의 끝단에 대한 높은 민감도를 보였다.
• 동일한 사전 분포(xₑ,6 > 0.9) 하에서 CMB 데이터만으로는 xₑ(z=6)를 제약 조건화할 수 없었지만, DM 데이터를 추가하면 1σ 오차 0.012로 정밀한 측정이 가능해졌다.
• CMB 데이터와 조합된 DM 파워 스펙트럼은 z_re, τ, z_beg에 대한 제약 조건을 크게 향상시켰으며, z_re = 7.75 ± 0.58(68% C.L.) 및 τ = 0.0551 ± 0.0055(68% C.L.)로 나타났다.
• N=5000개의 FRB로 샘플을 축소하더라도, Δ_z에 대한 제약 조건은 여전히 강력하여 Δ_z < 1.21(95% C.L.)로 유지되었고, 고려된 오차는 약 18.6% 증가에 그쳐 샘플 크기 변화에 대해 강건함을 보였다.