[論文レビュー] The Fast Radio Burst FRB 20201124A in a star forming region: constraints to the progenitor and multiwavelength counterparts

L. Piro, G. Bruni+17 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 67被引用数 57

ひとこと要約

本研究では、繰り返し発生する電波バースト FRB 20201124A の多波長観測を実施し、持続的で微弱な電波放射とわずかなX線放射を検出。0.8 kpcのずれを示し、3 kpcにわたる拡張した電波源は、約10 M⊙yr⁻¹の星形成率と関連しており、高密度で活発な領域に存在する質量の大きな星から生まれた若齢の磁気星の前身星であることを示唆。X線の上限値は磁気星モデルと整合的である。

ABSTRACT

We present the results of a multiwavelength campaign of FRB 20201124A, the third closest repeating fast radio burst recently localized in a nearby (z=0.0978) galaxy. Deep VLA observations led to the detection of quiescent radio emission, also marginally visible in X-rays with Chandra. Imaging at 22 GHz allowed us to resolve the source on a scale of $\gtrsim$ 1 arcsec and locate it at the position of the FRB, within an error of 0.2 arcsec. EVN and e-MERLIN observations sampled small angular scales, from 2 to 100 mas, providing tight upper limits on the presence of a compact source and evidence for diffuse radio emission. We argue that this emission is associated with enhanced star formation activity in the proximity of the FRB, corresponding to a star formation rate of $\approx 10\ { m M}_\odot { m yr}^{-1}$. The surface star formation rate at the location of FRB 20201124A is two orders of magnitude larger than typically observed in other precisely localized FRBs. Such a high SFR is indicative of this FRB source being a new-born magnetar produced from a SN explosion of a massive star progenitor. Upper limits to the X-ray counterparts of 49 radio bursts observed in our simultaneous FAST, SRT and Chandra campaign are consistent with a magnetar scenario.

研究の動機と目的

• 多波長追跡観測を通じて、FRB 20201124A の前身星を制約すること。
• FRB源に関連する静止状態の電波およびX線対応体を同定すること。
• ホスト銀河環境の調査と、FRB前身星モデルへの含意を検討すること。
• FAST、SRT、およびChandra X線望遠鏡の同時観測中に、X線対応体を探索すること。
• 電波およびX線データからの観測的制約をもとに、磁気星仮説を検証すること。

提案手法

• 持続的電波放射の検出と角度構造の解像のために、3 GHzおよび22 GHzでの深紫外電波望遠鏡（VLA）観測を実施。
• 2～100 masの角度スケールで、EVNおよびe-MERLINを用い、コンactな電波源の上限値を設定。
• FAST（1.0–1.5 GHz）、SRT（1.5 GHzおよび330 MHz）、Chandra X線望遠鏡を用いた同時観測により、電波パルスのX線対応体を探索。
• spandakパイプラインおよびカスタムソフトウェアを用いて、分散補正およびRFI除去を実施し、単一電波パルスを検出。
• バリセントリック補正および統計的手法（Kraft et al. 1991）を適用し、非一致光子からのX線フルエンスおよびエネルギーの5σ上限値を計算。
• LDTからの光学スペクトロスコピーを分析し、発光線の輝度を測定し、星形成率を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FRB 20201124A に関連する持続的電波放射の性質は何か。それはコンパクトか拡張的か。
• RQ2 FRB 20201124A のホスト銀河環境における星形成率は何か。他の局在化されたFRBと比較するとどうか。
• RQ3 FASTおよびSRTで検出された電波パルスに対応するX線対応体は存在するか。それらは中心エンジンに何を示唆するか。
• RQ4 観測された電波およびX線特性は、磁気星前身星モデルで説明可能か。
• RQ5 多波長観測が、代替のFRB前身星シナリオに課す制約は何か。

主な発見

• 3 GHzで(340 ± 30) µJyの電波源がFRB 20201124Aの位置で検出され、1′′以上の大規模スケールで拡張した放射が解像。22 GHzのVLA画像では、位置角140°に2′′の長さを持つ構造が確認された。
• 電波源は、赤方偏移z = 0.0978における0.42′′（0.8 kpc）のずれを示し、約3 kpcにわたる拡張した放射を示しており、コンパクトコアとは整合しない。
• FRB位置における表面星形成率は約10 M⊙yr⁻¹であり、他の局在化されたFRBと比較して2桁高い。これは、非常に活発な星形成領域であることを示唆。
• EVNおよびe-MERLINによる2～100 masの角度スケールでの観測で、コンパクトな電波源は検出されず、中心のコンパクト物体に対する厳しい上限値が得られた。
• ChandraからのX線上限値は、FASTおよびSRTで検出された49個の電波パルスと有意な一致を示さず、X線フルエンスの5σ上限はF(2–10 keV) ≲ 2.5 × 10⁻¹⁰ erg cm⁻²、バーストエネルギーの上限はE ≲ 6 × 10⁴⁵ ergであった。
• X線対応体の上限値は磁気星シナリオと整合的であり、質量の大きな星の超新星爆発から生まれた若齢でエネルギーの高い中心エンジンを支持する。