[论文解读] Measuring the Variance of the Macquart Relation in z-DM Modeling

Jay Baptista, J. X. Prochaska+8 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 11

一句话总结

本 A论文提出了一种前向建模方法，将 z-DM Macquart 关系中的波动参数 F 视为自由参数，利用 FRB 数据拟合，并以合成的局部化 FRB 样本进行预测改进，同时探索与 H0 的简并性。

ABSTRACT

The Macquart relation describes the correlation between the dispersion measure (DM) of fast radio bursts (FRBs) and the redshift $z$ of their host galaxies. The scatter of the Macquart relation is sensitive to the distribution of baryons in the intergalactic medium (IGM) including those ejected from galactic halos through feedback processes. The width of the distribution in DMs from the cosmic web (${ m DM}_{ m cosmic}$) is parameterized by a fluctuation parameter $F$, which is related to the cosmic DM variance by $σ_{ m DM}= F z^{-0.5}$. In this work, we present a new measurement of $F$ using 78 FRBs of which 21 have been localized to host galaxies. Our analysis simultaneously fits for the Hubble constant $H_0$ and the DM distribution due to the FRB host galaxy. We find that the fluctuation parameter is degenerate with these parameters, most notably $H_0$, and use a uniform prior on $H_0$ to measure $\log_{10} F > -0.89$ at the $3σ$ confidence interval and a new constraint on the Hubble constant $H_0 = 85.3_{-8.1}^{+9.4} \, { m km \, s^{-1} \, Mpc^{-1}}$. Using a synthetic sample of 100 localized FRBs, the constraint on the fluctuation parameter is improved by a factor of $\sim 2$. Comparing our $F$ measurement to simulated predictions from cosmological simulation (IllustrisTNG), we find agreement between $0.4 < z < 2$. However, at $z < 0.4$, the simulations underpredict $F$ which we attribute to the rapidly changing extragalactic DM excess distribution at low redshift.

研究动机与目标

• 推动通过 Macquart z-DM 关系和 FRB 色散测量来约束星际介质（IGM）中重子分布。
• 引入波动参数 F，用以量化来自宇宙网与 IGM 中的晕 halos 的 DM 方差。
• 同时拟合 FRB 的星系外 DM 组成与 H0，以从 FRB 数据中测量 F。
• 评估 F 与 H0 以及宿主星系 DM 参数之间的简并性。
• 预测更大规模、局部化的 FRB 样本将如何改善对 F 的约束。

提出的方法

• 采用 z-DM 建模框架（zdm），将 DM_FRB 分解为 DM_ISM、DM_halo 和 DM_EG。
• 将 DM_EG 模型为 DM_cosmic + DM_host，其中 DM_cosmic 的方差由非高斯分布 p_cosmic(Δ) 描述，且存在波动参数 F，使 σ_DM ∝ F z^-0.5。
• 将宿主 DM 表示为对数正态分布，均值 μ_host 与散布 σ_host 作为自由参数。
• 进行穷举网格搜索，在定义的参数空间内获取参数似然，并结合具备红shift 的 FRB 来约束 F 与 H0。
• 探索简并性，特别是 F 与 H0 之间，通过对 H0 施加先验（在 Planck 与 SNe 值之间的均匀分布）以及分析一维/二维似然。
• 通过合成的 100 个局部化 FRB 样本来预测对 F 的约束，以研究 F 和 H0 精度的提升。

Figure 1: Upper panel : The $p({\rm DM_{\rm EG}}|z)$ distribution which admits a high fluctuation parameter (low galactic feedback efficiency). Lower panel : The $p({\rm DM_{\rm EG}}|z)$ distribution which admits a low fluctuation parameter (high galactic feedback efficiency). The white dashed-line

实验结果

研究问题

• RQ1 描述来自宇宙网和晕的 DM 方差的波动参数 F 是什么，以及 FRB 数据如何约束它？
• RQ2 在 z-DM EG 模型中，F 与哈勃常数 H0 及宿主 DM 参数之间的简并性有多大？
• RQ3 纳入红移信息（局部化 FRB）如何改进对 F 与 H0 的约束？
• RQ4 对 F 的测量而言，纳入 H0 的先验有什么影响？
• RQ5 与当前数据相比，合成的局部化 FRB 样本如何提升对 F 的界限？

主要发现

• 来自 78 个 FRB（其中 21 个有红移），波动参数在 3σ 时被限制为 log10 F > -0.89，即一个下限。
• 允许 F 变化会削弱 H0 的约束，若无 H0 先验，得到 H0 = 85.3(-8.1,+9.4) km/s/Mpc。
• 有均匀的 H0 先验时，log10 F = -0.48^{+0.26}_{-0.18}（1σ），且 log10 F > -0.89（3σ）。
• 合成的 100 个局部化 FRB 样本提高了 F 的约束，并在有先验时给出更紧的 H0 约束（例如 H0 约为 67.6^{+3.5}_{-3.4} km/s/Mpc）。
• 与 IllustrisTNG 的比较在 0.4 < z < 2 区间一致，而在 z < 0.4 时 simulations 因低-z DM_IGM 行为过预测 F。

Figure 2: $95^{\rm th}$ percentile contours of two $p({\rm DM_{\rm EG}}|z)$ distributions with different prescriptions on the Hubble constant $H_{0}$ and the fluctuation parameter $F$ . Note that the lower contours (“the DM cliff”) of both models are nearly identical to each other. Since the DM clif