[论文解读] Polarization properties of FRB 20201124A from detections with the 100-m Effelsberg Radio Telescope

G H Hilmarsson, L. G. Spitler+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 8被引用 4

一句话总结

本研究利用100米埃费尔斯贝格射电望远镜在1.36 GHz频段对重复快速射电暴FRB 20201124A进行了高时间分辨率的偏振观测，探测到20次爆发。研究报告了高度线性偏振的辐射，平均部分偏振度≥75%；首次在重复FRB中探测到圆偏振；并发现旋转量（RM ≈ −601 rad m⁻²，σ = 11.1 rad m⁻²）高度可变，表明其周围存在强局部磁场环境，与年轻磁星位于超新星遗迹中的模型一致。

ABSTRACT

The repeating FRB source, FRB 20201124A, was found to be highly active in March and April 2021. We observed the source with the Effelsberg 100-m radio telescope at 1.36 GHz on 9 April 2021 and detected 20 bursts. A downward drift in frequency over time is clearly seen from the majority of bursts in our sample. A structure-maximizing dispersion measure (DM) search on the multi-component bursts in our sample yields a DM of 411.6$\pm$0.6 pc/cm$^3$. We find that the rotation measure (RM) of the bursts varies around their mean value of -605 rad/m$^2$ with a standard deviation of 11.1 rad/m$^2$. This RM magnitude is 10 times larger than the expected Galactic contribution along this line of sight (LoS). We estimate a LoS magnetic field strength of 4--6 $μ$G, assuming that the entire host galaxy DM contributes to the RM. Further polarization measurements will help determine FRB 20201124A's RM stability. The bursts are highly linearly polarized, with some showing signs of circular polarization, the first for a repeating FRB. Their polarization position angles (PAs) are flat across the burst envelopes and vary between bursts. We argue that the varying polarization fractions and PAs of FRB 20201124A are similar to known magnetospheric emission from pulsars, while the observed circular polarization, combined with the RM variability, is hard to explain with Faraday conversion. The high linear polarization fractions, flat PAs, and downward drift from FRB 20201124A bursts are similar to previous repeating sources, while the observed circular polarization is a newly seen behaviour among repeaters.

研究动机与目标

• 利用高时间分辨率观测，表征高度活跃的重复FRB 20201124A的偏振特性。
• 测量单个爆发的色散量（DM）与旋转量（RM），以推断源的磁层与星际环境。
• 研究重复FRB中圆偏振的起源，该现象此前在类似源中未曾观测到。
• 评估RM随时间的稳定性，并与磁星驱动的FRB在超新星遗迹中的模型进行比较。
• 确定爆发特性（如频移率与宽度）是否与偏振行为相关，如在脉冲星中所见。

提出的方法

• 观测使用100米埃费尔斯贝格射电望远镜，配备P217mm 7元波束接收机与Pulsar FFT谱仪后端，中心频率为1360 MHz，带宽300 MHz，时间分辨率54.6 μs。
• 利用HEIMDALL、Presto与TransientX软件搜索单个脉冲，对色散量（DM）范围350–450 pc cm⁻³进行去色散处理。
• 对多组分爆发应用结构最大化色散量（DM）搜索，得到最佳拟合DM为411.6 ± 0.6 pc cm⁻³。
• 通过法拉第色散函数（FDF）拟合估算旋转量（RM），不确定性通过蒙特卡洛模拟评估。
• 在爆发包络中测量偏振位置角（PA）与部分偏振度，通过Stokes V分析评估圆偏振。
• 基于Margalit & Metzger（2018）的磁星-超新星遗迹框架，对RM稳定性与源年龄进行建模，将RM与源年龄及磁场强度关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB 20201124A的色散量（DM）是多少？其与宿主星系及银河系贡献相比如何？
• RQ2 FRB 20201124A的旋转量（RM）在不同爆发之间如何变化？这对其视线方向的磁场环境有何含义？
• RQ3 在FRB 20201124A的任何爆发中是否探测到圆偏振？若探测到，这对辐射机制有何含义？
• RQ4 爆发宽度与频率漂移率如何与偏振特性相关？这对其辐射区域有何暗示？
• RQ5 观测到的RM与磁场强度能否由年轻磁星位于超新星遗迹中来解释？其推断的源年龄是多少？

主要发现

• FRB 20201124A的色散量（DM）测定为411.6 ± 0.6 pc cm⁻³，与宿主星系贡献一致。
• 旋转量（RM）围绕加权平均值−601 rad m⁻²波动，标准偏差为11.1 rad m⁻²，表明RM存在显著变化。
• 观测到的RM幅度是该视线方向预期银河系贡献的10倍，暗示存在强局部磁场。
• 在假设全部宿主DM贡献于RM的前提下，估算视线方向磁场强度为4–6 μG。
• 20次探测到的爆发中，15次表现出高线性偏振（≥75%），4次表现出圆偏振（≤20%），标志着首次在重复FRB中探测到圆偏振。
• 具有圆偏振的爆发拥有最极端的RM值，表明圆偏振与强磁场结构之间存在关联。