[论文解读] Fast Radio Burst Tomography of the Unseen Universe

Vikram Ravi, Nicholas Battaglia+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 68被引用 14

一句话总结

本文提出利用上万次快速射电暴（FRBs）作为宇宙层析成像探针，以绘制星系晕、星系团内及星系际介质中未被观测到的重子物质。通过测量FRBs的色散量（DM）和时间延迟，研究人员可直接追踪电子柱密度并检验暗物质模型，从而实现对宇宙重子的统计计数，而无需依赖复杂的模拟。

ABSTRACT

The discovery of Fast Radio Bursts (FRBs) at cosmological distances has opened a powerful window on otherwise unseen matter in the Universe. In the 2020s, observations of $>10^{4}$ FRBs will assess the baryon contents and physical conditions in the hot/diffuse circumgalactic, intracluster, and intergalactic medium, and test extant compact-object dark matter models.

研究动机与目标

• 通过直接测量低红移宇宙中宇宙重子的分布，解决缺失重子问题。
• 探测星系晕介质（CGM）的物理状态与结构，包括冷云团和致密暗物质天体的存在。
• 利用FRB色散量和与宇宙微波背景（CMB）图的交叉相关性，绘制星系际和星系团内介质的分布。
• 通过利用统计FRB巡天，实现不依赖FRB成因模型的宇宙学检验。
• 利用FRB时间延迟探测星系际等离子体和引力透镜效应，从而探测宇宙的大尺度结构。

提出的方法

• 利用FRB的色散量（DM）量化沿星系际视线方向的总电子柱密度。
• 结合角秒级定位的FRB红移与宿主星系及中间介质星系的红移，分离宿主星系ISM、CGM、ICM和IGM的贡献。
• 将FRB样本按与星系的投影距离分箱，重建CGM的径向电子密度分布。
• 将DM与宇宙微波背景（CMB）图进行交叉相关，测量宇宙网中热萨晓夫-泽尔多维奇效应引起的电子散射光学深度。
• 利用透镜效应引起的亚毫秒时间延迟（等离子体与引力透镜），探测小尺度结构并检验致密天体暗物质模型。
• 利用未来宽视场射电望远镜巡天，在未来十年内收集10^4–10^6个FRB，实现对大尺度重子分布的统计推断。

实验结果

研究问题

• RQ1 在红移z ≤ 2的范围内，宇宙重子在星系之间、星系晕及星系际介质中的分布如何？
• RQ2 在秒差距尺度上，星系晕介质（CGM）的结构与电子密度分布是怎样的？其中是否存在冷云团？
• RQ3 FRB时间延迟能否揭示等离子体和引力透镜效应，从而为宇宙网和暗物质提供新的探测手段？
• RQ4 在不依赖宇宙学模拟的前提下，FRB色散量能在多大程度上解释低红移宇宙中缺失的重子？
• RQ5 通过FRB传播效应推断的河外星系星系际介质的物理状态，与银河系中的情况相比如何？

主要发现

• 仅需10^1–10^2个具有红移信息的角秒级定位FRB，即可在统计上探测星系晕介质并测量其对Ω_b的贡献。
• 将10^2–10^3个角分钟级定位的FRB按投影距离分箱，可实现对CGM径向电子柱密度分布的测量。
• 对约10^4个FRB与CMB图进行交叉相关，可探测目前尚无法实现的更高红移的热萨晓夫-泽尔多维奇效应。
• FRB色散量可直接追踪IGM、CGM和ICM中热的、弥散的重子分布，而无需依赖详细的光化学模拟。
• 来自星系际透镜效应的亚毫秒时间延迟可用于探测等离子体折射与引力透镜效应，为大尺度结构提供新约束。
• 该方法对FRB成因机制的不确定性具有鲁棒性，使其成为宇宙学与重子结构研究的强大独立探针。