[论文解读] Reconstruction of Reionization History through Dispersion Measure of Fast Radio Bursts

Ji-Ping Dai, Jun‐Qing Xia|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 54被引用 8

一句话总结

该论文提出利用快速射电暴（FRB）色散量（DM）的大尺度角度聚类，作为补充探针以约束再电离历史，仅依赖粗略的红移分布而非每个源的精确红移。结果表明，一个覆盖天空20%区域、包含约10⁴个FRB的星表可显著收紧再电离持续时间的约束，使其降低至z_dur < 2.24（95%置信水平），并以1σ误差Δxₑ(z=6)=0.012的精度测量z=6处的电离分数。

ABSTRACT

In this paper, we study the evolution of the ionization fraction $x_e(z)$ during the epoch of reionization by using the dispersion measurements (DMs) of fast radio bursts (FRBs). Different from the previous studies, here we turn to consider the large-scale clustering information of observed DMs of FRB catalog, which only needs the rough redshift distribution, instead of the exact redshift information of each FRB. Firstly, we consider the instantaneous `` exttt{tanh}'' model for $x_e(z)$ and find that including the auto-correlation information of the mock catalog, about $10^4$ FRBs with the intrinsic DM scatter of 100 $ m pc/cm^3$ spanning 20\% of all sky, could significantly improve the constraint on the width $Δ_z$ of the model, when comparing with that from the CMB data alone. The evolution shape of the ionization fraction will be tightly narrowed, namely the duration of the epoch of reionization has been shrunk, $z_{ m dur}&lt;2.24$ (95\% C.L.). Furthermore, we also use another redshift-asymmetric reionization model and obtain that the FRB mock catalog could measure the ionization fraction at $z=6$ precisely with the $1σ$ error $Δx_e(z=6)=0.012$, which means that the large-scale clustering information of observed DMs of FRB catalog is very sensitive to the ionization fraction of the end of reionization epoch. We conclude that the observation of high-redshift FRBs could be a complementary probe to study the reionization history in the future.

研究动机与目标

• 开发一种仅基于FRB色散量（DM）大尺度聚类的再电离历史约束方法，无需每个源的精确红移。
• 评估FRB DM角度功率谱与CMB数据联合使用时，对再电离过渡形状和持续时间的约束能力。
• 评估FRB DM测量是否能提供比CMB数据单独使用更紧的约束，尤其在再电离末期和高红移电离分数方面。
• 测试DM聚类对非对称再电离模型的敏感性，特别是z=6处的电离分数。
• 确定所需FRB的数量和分布，以显著改善τ、z_re和z_dur等再电离参数的约束。

提出的方法

• 将观测到的DM建模为来自星系际介质（IGM）、宿主星系和银河系的贡献之和，减去银河系分量以分离出河外DM。
• 使用tanh模型和红移不对称模型，将电离分数xₑ(z)参数化为红移的函数，以表示再电离历史。
• 利用红移分布和电离分数模型计算DM场的理论角度功率谱（APS），并引入哈勃参数H(z)和自由电子密度nₑ(θ,z)。
• 从功率谱推导DM自相关函数，考虑来自DM本征散布（σ_host = 100 pc/cm³）和天空覆盖度（20%）的星系噪声。
• 在联合似然分析中将模拟的DM APS与Planck 2018 CMB测量结果结合，使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样约束再电离参数。
• 通过对比有无DM数据的结果，评估约束改善情况，重点关注宽度Δ_z、持续时间z_dur以及z=6处的电离分数。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB色散量（DM）的大尺度聚类能否提供比CMB数据单独使用更紧的再电离历史约束？
• RQ2 DM功率谱对再电离时期过渡宽度Δ_z和持续时间z_dur的敏感性如何？
• RQ3 FRB DM测量能否精确约束高红移处的电离分数，特别是预计再电离结束的z=6处？
• RQ4 引入DM聚类数据如何改善光学厚度τ和再电离红移z_re的约束？
• RQ5 需要多少FRB及其分布才能显著改善再电离参数的约束？

主要发现

• 在覆盖天空20%区域、约10⁴个FRB、且σ_host = 100 pc/cm³的条件下，DM聚类功率谱将再电离持续时间的95%置信水平上限降低至z_dur < 2.24。
• DM功率谱将过渡宽度Δ_z的约束改善至Δ_z < 1.02（95%置信水平），相比CMB单独约束提高了两倍。
• 在红移不对称模型下，z=6处的电离分数被约束为xₑ(z=6) = 0.985 ± 0.012（68%置信水平），显示出对再电离末期的高敏感性。
• 在相同先验条件（xₑ,6 > 0.9）下，CMB数据本身无法约束xₑ(z=6)，但加入DM数据后可实现1σ误差为0.012的精确测量。
• DM功率谱显著改善了对z_re、τ和z_beg的约束，与CMB数据结合后，z_re = 7.75 ± 0.58（68%置信水平），τ = 0.0551 ± 0.0055（68%置信水平）。
• 即使样本减少至N=5000个FRB，Δ_z的约束仍保持紧密，为Δ_z < 1.21（95%置信水平），边际误差仅增加18.6%，表明对样本大小具有鲁棒性。