[论文解读] A luminous fast radio burst that probes the Universe at redshift 1

S. D. Ryder, K. W. Bannister+19 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用 7

一句话总结

本文报告了在红移 z = 1.016 ± 0.002 处探测到一颗明亮的快速射电暴 FRB 20220610A，该暴由 ASKAP 定位至一个复杂的宿主星系系统。该暴表现出极高的色散量（1458.15 pc cm⁻³）、显著的脉冲展宽（0.511 ± 0.012 ms）以及法拉第旋转（RM = 215 ± 2 rad m⁻²），表明其经过了星系际介质和宿主星系中湍流磁化等离子体。该暴的能量为 2 × 10⁴² erg，重新评估了快速射电暴的最大能量，为高红移宇宙重子物质提供了罕见探测。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are millisecond-duration pulses of radio emission originating from extragalactic distances. Radio dispersion on each burst is imparted by intervening plasma mostly located in the intergalactic medium. We observe a burst, FRB 20220610A, in a morphologically complex host galaxy system at redshift $z=1.016 \pm 0.002$. The burst redshift and dispersion are consistent with passage through a substantial column of material from the intergalactic medium. The burst shows evidence for passage through additional turbulent magnetized plasma, potentially associated with the host galaxy. We use the burst energy of $2 imes 10^{42}$ erg, to revise the maximum energy of an FRB.

研究动机与目标

• 将一颗高红移的明亮快速射电暴（FRB）进行定位，以检验宇宙学模型。
• 测量色散量（DM）和旋转量（RM），以推断星系际介质和宿主星系中的等离子体含量。
• 确定该暴的本征能量，并修订快速射电暴光度的上限。
• 研究宿主星系等离子体对仅通过 DM 估算红移的扭曲影响。
• 利用该暴作为探针，通过 z > 1 时的 Macquart 关系探测宇宙重子含量和膨胀速率。

提出的方法

• ASKAP 射电干涉仪通过 36 个波束实时探测到该暴，实现亚角秒级定位（精度 0.5 角秒）。
• 利用基带数据重建高时间分辨率和偏振特性，校正色散展宽效应。
• 在 1147.5 MHz 参考频率下测量脉冲展宽为 0.511 ± 0.012 ms，假设频率依赖关系为 ν⁻⁴。
• 通过旋转量（RM = 215 ± 2 rad m⁻²）量化法拉第旋转，校正后线性偏振度为 96 ± 1%。
• 通过光谱能量分布（SED）拟合和 VLT/X-shooter 对宿主星系组分的光谱观测，估算恒星质量和红移。
• 利用群体模型推导宿主星系色散量，对宿主和星系际介质的额外色散量施加约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB 20220610A 的红移是多少？其是否证实了 z > 1 时的 Macquart 关系？
• RQ2 总色散量中有多大比例来自星系际介质，又有多少来自宿主星系？
• RQ3 观测到的脉冲展宽和法拉第旋转如何约束中间湍流等离子体的特性？
• RQ4 该暴的本征能量是多少？与以往快速射电暴能量上限相比如何？
• RQ5 该暴能否用于测量高红移处的宇宙重子分数和哈勃参数？

主要发现

• FRB 20220610A 被定位至 z = 1.016 ± 0.002 的红移，是目前确认宿主星系的最高红移快速射电暴。
• 该暴的色散量为 1458.15⁺⁰.²⁵₋₀.⁵⁵ pc cm⁻³，是 55 个 ASKAP 探测到的快速射电暴中最高的。
• 在 1147.5 MHz 下测得脉冲展宽为 0.511 ± 0.012 ms，表明在湍流等离子体中发生散射，1.4 GHz 下的散射 timescale 为 1.88 ± 0.02 ms。
• 旋转量（RM）为 215 ± 2 rad m⁻²，线性偏振度高达 96 ± 1%，表明法拉第色散极低（σ_RMs < 0.6 rad m⁻²）。
• 该暴的辐射能量为 2 × 10⁴² erg，重新修订了快速射电暴能量上限，表明其具有极高的亮度。
• 宿主星系系统由三个形态上不同的组分构成，其中组分 (c) 在 z = 1.016 处表现出最强的 [O ii] 发射线，与暴的红移一致。