[论文解读] Fast Transients at Cosmological Distances with the SKA

Jean‐Pierre Macquart, E. F. Keane+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2015

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 2被引用 9

一句话总结

本文提出，平方公里阵列（SKA）能够探测并精确定位宇宙距离处的快速射电暴（FRB），从而通过光学后随观测实现精确的红移测量。凭借角秒级定位精度和高时间分辨率处理能力，SKA可利用FRB作为宇宙学探针，绘制星际介质图景，测量暗能量的状态方程，并探测缺失的重子物质。

ABSTRACT

Impulsive radio bursts that are detectable across cosmological distances constitute extremely powerful probes of the ionized Inter-Galactic Medium (IGM), intergalactic magnetic fields, and the properties of space-time itself. Their dispersion measures (DMs) will enable us to detect the "missing" baryons in the low-redshift Universe and make the first measurements of the mean galaxy halo profile, a key parameter in models of galaxy formation and feedback. Impulsive bursts can be used as cosmic rulers at redshifts exceeding 2, and constrain the dark energy equation-of-state parameter, $w(z)$ at redshifts beyond those readily accessible by Type Ia SNe. Both of these goals are realisable with a sample of $\sim 10^4$ fast radio bursts (FRBs) whose positions are localized to within one arcsecond, sufficient to obtain host galaxy redshifts via optical follow-up. It is also hypothesised that gravitational wave events may emit coherent emission at frequencies probed by SKA1-LOW, and the localization of such events at cosmological distances would enable their use as cosmological standard sirens. To perform this science, such bursts must be localized to their specific host galaxies so that their redshifts may be obtained and compared against their dispersion measures, rotation measures, and scattering properties. The SKA can achieve this with a design that has a wide field-of-view, a substantial fraction of its collecting area in a compact configuration (80\% within a 3\,km radius), and a capacity to attach high-time-resolution instrumentation to its signal path.

研究动机与目标

• 利用快速射电暴（FRB）作为星际介质和暗能量的探针，实现宇宙学研究。
• 解决当前FRB观测中天空定位精度差的问题，该问题阻碍了红移测量和宿主星系的识别。
• 确立SKA的设计要求，以确保能够探测并定位宇宙距离处的FRB。
• 证明FRB可作为‘宇宙标尺’，用于探测红移 $ z > 2 $ 处的 $ w(z) $，超越Ia型超新星的探测范围。
• 实现利用FRB及引力波事件可能产生的相干射电辐射作为宇宙学标准 sirens 的应用。

提出的方法

• 利用SKA1的宽视场和3公里紧凑核心内80%的集光面积，最大化瞬变源探测体积。
• 实施高时间分辨率仪器和瞬变缓冲系统，以在爆发检测时刻存储信号数据，供触发后定位使用。
• 应用去色散化和色散量（DM）分析，以区分FRB与射频干扰（RFI），利用电离等离子体的 $ \nu^{-2} $ 色散规律。
• 利用长基线实现角秒级定位，以支持宿主星系的光学红移后随观测。
• 实现共用瞬变巡天，使SKA在观测其他目标的同时持续探测FRB。
• 集成触发系统，在实时检测到瞬变事件时立即启动定位和缓冲冻结。

实验结果

研究问题

• RQ1 SKA能否将FRB定位至角秒精度，以实现对其宿主星系光学红移测量？
• RQ2 FRB在多大程度上可约束红移 $ z > 2 $ 处的暗能量状态方程 $ w(z) $ ？
• RQ3 如何利用色散量探测并绘制星际介质中‘缺失’重子物质的分布？
• RQ4 SKA的哪些设计特性对于以足够灵敏度和时间分辨率探测并定位 $ \sim 10^4 $ 个FRB至关重要？
• RQ5 SKA1-LOW能否探测到引力波事件产生的相干射电辐射，并用作宇宙学标准 sirens ？

主要发现

• SKA可将FRB定位在1角秒以内，从而通过光学后随观测确定宿主星系的红移。
• 约 $ 10^4 $ 个定位后的FRB样本将首次实现对平均星系晕剖面的测量，并探测低红移星际介质中的缺失重子物质。
• 红移 $ z \gtrsim 2 $ 的FRB可约束暗能量状态方程 $ w(z) $，其探测范围超越了Ia型超新星的极限。
• 瞬变缓冲系统对于存储高时间分辨率数据、实现触发后定位和RFI验证至关重要。
• 即使灵敏度降低50%，SKA仍能以足够高的FRB探测率支持宇宙学研究，尽管灵敏度的标定依赖于未知的流量分布。
• SKA的模块化设计及对信号路径点的访问能力，将使其在未来50年寿命中可适应不可预见的FRB相关科学发现。