[论文解读] Fast Radio Bursts as Probes of Magnetic Fields in Galaxies at z < 0.5

Alexandra G. Mannings, Rüdiger Pakmor+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2022

Astrophysical Phenomena and Observations被引用 6

一句话总结

本研究利用九个低红移（z < 0.5）快速射电暴（FRBs）的旋转测量（RMs）来探测其宿主星系中的磁场。结果表明，宿主星系的RMs主要由局部磁场主导，得到的视线方向磁场强度中位数为0.5 μG，与模拟结果一致，表明其磁场强度弱于太阳邻近区域，但处于星系盘状星系中观测到的磁场范围之内。

ABSTRACT

We present a sample of nine Fast Radio Bursts (FRBs) from which we derive magnetic field strengths of the host galaxies represented by normal, $z&lt;0.5$ star-forming galaxies with stellar masses $M_* \approx 10^8 -10^{10.5} M_\odot$. We find no correlation between the FRB rotation measure(RM) and redshift which indicates that the RM values are due mostly to the FRB host contribution. This assertion is further supported by strong correlations (Spearman test probabilities $P_S \simeq 0.05$) found between RM and the estimated host dispersion measure ($DM_{Host}$) and host-normalized galacto-centric offset (Spearman $r_S$ values equal to 0.64 and -0.52). For these nine galaxies, we estimate their magnetic field strengths projected along the sightline $B$ finding a low median value of $0.5 μG$. This implies the magnetic fields of our sample of hosts are weaker than those characteristic of the Solar neighborhood ($\approx 6 μG$), but relatively consistent with a lower limit on observed range of $2-10 μG$ for star-forming, disk galaxies, especially as we consider reversals in the B-field, and that we are only probing $B_{\parallel}$. We compare to RMs from simulated galaxies of the Auriga project -- magneto-hydrodynamic cosmological zoom simulations - and find that the simulations predict the observed values to within the $95\%$ CI. Upcoming FRB surveys will provide hundreds of new FRBs with high-precision localizations, rotation measures, and imaging follow-up to support further investigation on the magnetic fields of a diverse population of $z&lt;1$ galaxies.

研究动机与目标

• 利用FRB旋转测量（RMs）测量低红移（z < 0.5）星暴星系中的磁场强度。
• 区分宿主星系与外部环境对RM的贡献。
• 将观测到的磁场约束与宇宙学磁流体动力学模拟（Auriga项目）进行对比。
• 评估局域环境与星际介质（ISM）在塑造FRB RM值中的作用。

提出的方法

• 测量了九个红移z < 0.5、宿主星系恒星质量M* ≈ 10⁸–10¹⁰.⁵ M☉的FRB的旋转测量（RMs）。
• 计算了宿主星系RM（RM_host）和宿主色 dispersion measure（DM_host），以分离视线方向上的磁场贡献。
• 使用公式8从RM和DM_host推导出视线方向磁场分量|B∥|。
• 采用Spearman等级相关性检验RM、DM_host与宿主星系属性之间的关系。
• 将观测到的RMs和|B∥|值与Auriga宇宙学聚焦模拟的预测结果进行比较。
• 采用正向建模方法，利用模拟视线，仅保留与观测DM_host匹配的样本，以提高一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低红移FRBs的旋转测量（RM）主要由其宿主星系磁场引起，还是由外部环境贡献？
• RQ2 在z < 0.5的星暴星系中，FRB的视线方向磁场分量|B∥|的典型强度是多少？
• RQ3 观测到的FRB RMs与银河系类星系的Auriga宇宙学模拟预测结果如何比较？
• RQ4 局域环境或ISM条件在多大程度上影响了观测到的RMs？
• RQ5 FRB RM与宿主星系属性（如恒星质量、星形成速率SFR或有效半径）之间是否存在相关性？

主要发现

• FRB RM与红移（z < 0.5）之间无显著相关性，表明RM主要由宿主星系贡献，而非外部或星际介质成分。
• RM与DM_host之间存在显著的正向Spearman相关性（rS = +0.75，p < 0.05），证实RM主要由宿主星系等离子体和磁场驱动。
• 九个FRB宿主星系的视线方向磁场强度|B∥|中位数为0.5 μG，显著低于太阳邻近区域的约6 μG。
• 观测到的|B∥|值与星暴盘状星系中观测到的2–10 μG范围的下限一致，尤其在考虑磁场反转和视线投影效应后。
• Auriga模拟预测的RM和|B∥|值落在观测数据的95%置信区间内，支持其物理真实性。
• FRB 20121102A为异常值，其观测RM显著偏高，表明存在高度磁化的局域环境贡献，该现象在模拟中未被捕捉。