[论文解读] Asymmetric HI 21 cm lines of fast radio burst hosts: connection with galaxy interaction

M. J. Michałowski|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 85被引用 10

一句话总结

本研究首次对快速射电暴（FRB）宿主星系中中性氢（HI）气体的性质进行了分析，发现所有三个FRB宿主星系——NGC 3252、M81和银河系——均表现出高度不对称的HI 21 cm谱线轮廓，并且均属于相互作用星系系统。结果表明，邻近的重复FRB与近期星系相互作用有关，这些相互作用触发了增强的恒星形成，支持FRB爆发通道中前身体在数千万至数亿年前形成的观点。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are enigmatic transients with very short radio emission. Their nature is still widely debated. I provide the first analysis of atomic gas properties of a small sample of FRB hosts to constrain their nature. HI observations exist for NGC 3252, the host of FRB 181030A, M81, the host of FRB 200120E, and the Milky Way, the host of FRB 200428. I report three observables: i) all three FRB hosts are interacting galaxies; ii) the Hi spectra of both FRB hosts with such data available are highly asymmetric, several standard deviations above the general population of galaxies; iii) two FRB hosts have normal atomic gas properties and one is strongly deficient in atomic gas. This indicates that nearby and repeating FRBs are connected with a recent enhancement of star formation due to interaction. This supports fast FRB channels, for example a massive star with a short delay time so that interaction signatures giving rise to the birth of the progenitor are still visible. Long gamma-ray burst (GRB) and broad-lined type Ic supernova (SN) hosts exhibit much more symmetric spectra, even though they were claimed to experience gas inflow from the intergalactic medium. The difference can be explained by the interactions experienced by FRB hosts being more disruptive than these gas inflows, or by the mass effect, with GRB/SN hosts at lower masses having less organized gas motions, so with HI lines closer to a symmetrical Gaussian. This also suggests that the emission mechanisms of FRBs and GRBs are different.

研究动机与目标

• 调查FRB宿主星系的中性气体性质，以约束FRB爆发机制的本质。
• 确定FRB宿主星系是否表现出近期星系相互作用的迹象，这可能解释其前身体的形成。
• 将FRB宿主星系的HI谱线不对称性与长伽马射线暴（GRB）及Ic-BL超新星宿主星系进行比较，以识别前身体形成环境的差异。
• 评估FRB宿主星系中观测到的HI性质是否指向快速（短延迟）或慢速（长延迟）前身体通道。
• 评估FRB宿主星系中HI不对称性是由破坏性相互作用还是内在气体动力学引起，并与GRB宿主星系进行比较。

提出的方法

• 分析了三个FRB宿主星系的HI 21 cm谱线数据：NGC 3252（FRB 181030A）、M81（FRB 200120E）和银河系（FRB 200428）。
• 采用Reynolds等人（2020）提出的方法，利用HI谱线轮廓计算不对称性参数（Aflux、Apeak、Aspec），以实现与其他星系的定量比较。
• 将FRB宿主星系的HI谱线不对称性与长GRB及Ic-BL超新星宿主星系的进行比较，以识别动力学与环境属性的差异。
• 利用光学与HI数据评估星系相互作用状态，通过识别潮汐特征与星系群成员身份，推断相互作用历史。
• 评估恒星质量与气体含量（MHI、SFR），以探索宿主星系性质与HI谱线形态之间的相关性。
• 使用宇宙学模型（H₀ = 70 km s⁻¹ Mpc⁻¹，ΩΛ = 0.7，Ωm = 0.3）对红移和距离进行校正，以修正速度空间中的系统效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB宿主星系是否表现出指示近期星系相互作用的HI谱线不对称性？
• RQ2 FRB宿主星系是否属于相互作用星系群，这种关系如何影响其原子气体含量？
• RQ3 与长GRB及Ic-BL超新星宿主星系相比，FRB宿主星系的HI谱线轮廓在对称性与动力学结构上有何差异？
• RQ4 GRB宿主星系中HI谱线不对称性缺失是否意味着其前身体形成机制与FRB不同？
• RQ5 FRB宿主星系的HI性质是否可由近期气体流入或破坏性相互作用解释，这对FRB前身体延迟时间意味着什么？

主要发现

• 所有三个FRB宿主星系——NGC 3252、M81和银河系——均为相互作用星系，其中NGC 3252属于星系群，M81正与M82相互作用。
• NGC 3252和M81的HI 21 cm谱线轮廓高度不对称，Aflux分别为1.314 ± 0.072和1.505 ± 0.002，显著高于一般星系群体的数个标准差。
• 一个FRB宿主星系NGC 3252表现出原子气体（MHI）减少5倍，与相互作用导致的气体剥离一致。
• 两个FRB宿主星系具有正常的HI性质，而一个则明显缺气，表明环境效应存在显著差异。
• 尽管有观点认为GRB宿主星系近期有星际介质气体流入，但其HI谱线对称性更高（如GRB 980425的Aflux = 1.027 ± 0.066），表明其过程较FRB宿主星系的相互作用更为温和。
• FRB与GRB宿主星系在HI谱线对称性上的差异表明，两者前身体形成机制不同，FRB前身体更可能由近期星系相互作用形成，而非缓慢的气体流入。