[论文解读] Dispersion measures of fast radio burst host galaxies derived from IllustrisTNG simulation

G. Q. Zhang, Hai Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用 4

一句话总结

本研究利用IllustrisTNG宇宙学模拟，对快速射电暴（FRB）宿主星系的色散量（DM）进行建模，推导出重复与非重复FRB的红移依赖性DM分布。结果发现，FRB 121102型宿主的中值DM_host ≈ 35(1+z)^1.08 pc cm⁻³，FRB 180916型宿主的中值DM_host ≈ 96(1+z)^0.83 pc cm⁻³，非重复FRB的中值DM_host ≈ 33(1+z)^0.84 pc cm⁻³，所有分布均能被对数正态分布良好拟合，适用于红移推断。

ABSTRACT

We calculate the dispersion measures (DMs) contributed by host galaxies of fast radio bursts (FRBs). Based on a few host galaxy observations, a large sample of galaxy with similar properties to observed ones has been selected from the IllustrisTNG simulation. They are used to compute the distributions of host galaxy DMs for repeating and non-repeating FRBs. For repeating FRBs, we infer the DM$ _{\mathrm{host}} $ for FRBs like FRB 121102 and FRB 180916 by assuming that the burst sites are tracing the star formation rates in host galaxies. The median DM$_{\mathrm{host}}$ are $35 (1+z)^{1.08}$ and $96(1+z)^{0.83}$ pc cm$^{-3}$ for FRBs like FRB 121102 and FRB 180916, respectively. In another case, the median of DM$_{\mathrm{host}}$ is about $30 - 70$ pc cm$^{-3}$ for non-repeating FRBs in the redshift range $z=0.1-1.5$, assuming that the burst sites are the locations of binary neutron star mergers. In this case, the evolution of the median DM$_{\mathrm{host}}$ can be calculated by $33(1+z)^{0.84}$ pc cm$^{-3}$. The distributions of DM$_{\mathrm{host}}$ of repeating and non-repeating FRBs can be well fitted with the log-normal function. Our results can be used to infer redshifts of non-localized FRBs.

研究动机与目标

• 利用宇宙学模拟确定FRB宿主星系贡献的色散量（DM）分布。
• 基于观测到的FRB宿主星系特性，通过建模宿主DM贡献，推断非本地化FRB的红移。
• 在不同物理假设下，比较重复FRB（如FRB 121102、FRB 180916）与非重复FRB的DM宿主分布差异。
• 评估在宿主星系恒星质量与恒星形成率选择标准变化时，结果的稳健性。

提出的方法

• 从IllustrisTNG模拟中选取与观测FRB宿主（如恒星质量、SFR）特性匹配的星系，用于统计分析。
• 基于恒星形成率（SFR）为重复FRB设定爆发位置，基于双中子星并合位置为非重复FRB设定爆发位置。
• 通过沿视线路径积分宿主星系气体与恒星组分的电子密度，计算DM_host。
• 在离散红移之间使用线性插值，估算中间红移的DM_host。
• 应用蒙特卡洛模拟生成模拟FRB样本，并使用最大似然估计法推导伪红移。
• 使用对数正态函数拟合DM_host分布，以支持宇宙学应用中的统计推断。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同红移下，FRB 121102型宿主的宿主星系DM分布预期为何？
• RQ2 假设非重复FRB起源于双中子星并合，其宿主DM分布与重复FRB有何不同？
• RQ3 选择标准（如恒星质量与SFR范围）在多大程度上影响推导出的DM_host分布？
• RQ4 能否利用模拟的DM_host分布准确推断非本地化FRB的红移？
• RQ5 模拟的DM_host分布与局部化FRB的观测约束有多吻合？

主要发现

• FRB 121102型宿主的中值DM_host在红移z = 0.1至1.5范围内演化为35(1+z)^1.08 pc cm⁻³。
• FRB 180916型宿主的中值DM_host演化为96(1+z)^0.83 pc cm⁻³，反映出由于更高质量、更活跃恒星形成宿主导致的更高本征DM。
• 对于非重复FRB，当爆发位置与双中子星并合位置一致时，中值DM_host遵循33(1+z)^0.84 pc cm⁻³的演化规律。
• 重复与非重复FRB的DM_host分布均能被对数正态函数良好描述。
• 最大似然法成功恢复了模拟FRB的输入红移分布，验证了该方法在伪红移推断中的有效性。
• 结果对选择标准的变化具有稳健性，因为恒星质量与SFR的窄范围可产生相似的DM_host分布。