[论文解读] Searching for the sources of excess extragalactic dispersion of FRBs

Sunil Simha, Khee‐Gan Lee+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2023

Statistical and numerical algorithms被引用 4

一句话总结

本研究通过建模前景星系晕和星系群中的气体，探究了四个局域化快速射电暴（FRB）中多余河外色散测量（DM）的起源。利用FLIMFLAM巡天的光谱数据，发现对于FRB20190714A，晕贡献解释了大部分多余DM（占多余部分的63%），而其他FRB的晕贡献可忽略不计，表明存在显著的宿主星系或前身体环境贡献。

ABSTRACT

The FLIMFLAM survey is collecting spectroscopic data of field galaxies near fast radio burst (FRB) sightlines to constrain key parameters describing the distribution of matter in the Universe. In this work, we leverage the survey data to determine the source of the excess extragalactic dispersion measure (DM), compared to the Macquart relation estimate of four FRBs: FRB20190714A, FRB20200430A, FRB20200906A, and FRB20210117A. By modeling the gas distribution around the foreground galaxy halos and galaxy groups of the sightlines, we estimate $ m DM_{halos}$, their contribution to the FRB dispersion measures. The FRB20190714A sightline shows a clear excess of foreground halos which contribute roughly 2/3$^{rd}$ of the observed excess DM, thus implying a baryon-dense sightline. FRB20200906A shows a smaller but non-negligible foreground halo contribution, and further analysis of the IGM is necessary to ascertain the true cosmic contribution to its DM. RB20200430A and FRB20210117A show negligible foreground contributions, implying a large host galaxy excess and/or progenitor environment excess.

研究动机与目标

• 识别四个局域化FRB中超出Macquart关系估计值的多余河外色散测量（DM）的来源。
• 利用光谱数据量化前景星系晕和星系群对观测到的DM多余部分的贡献。
• 评估多余DM是否源于高密度大尺度结构、宿主星系ISM或前身体环境。
• 为未来的IGM层析成像和FRB前身体研究，提供宿主DM和前景物质分布的统计约束。

提出的方法

• 利用FLIMFLAM巡天的光谱数据，识别FRB视线方向上的星系和星系群。
• 使用HMFEmulator和MARZ软件对星系晕中的电子密度分布进行建模，以估算DM贡献。
• 利用Macquart关系计算预期宇宙DM，并与观测估计值进行比较。
• 基于红移和投影距离数据，计算晕气的色散测量（DM_halos）及其不确定性（σ(DM_halos)）。
• 将DM_halos与估算的宇宙DM（DM_cosmic_est）相结合，推断扣除前景晕贡献后归因于宿主或前身体环境的剩余DM。
• 使用统计建模和误差传播方法，评估晕贡献相对于宇宙预期值的显著性。

Figure 1: An updated Macquart relation plot including published well-localized FRBs from CRAFT at $z<0.7$ . The solid line is the mean $\langle{\rm DM}_{\rm cosmic}\rangle$ from a universe with the $\Lambda$ CDM cosmology, a.k.a. the Macquart relation. The blue shading represents $p(\mathrm{DM}_{\ma

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB20190714A中多余河外DM的多大比例可归因于前景星系晕和星系群？
• RQ2 晕气贡献在多大程度上解释了FRB20200906A、FRB20200430A和FRB20210117A的DM多余部分？
• RQ3 观测到的DM多余部分与各FRB红移处的平均宇宙DM预期值相比如何？
• RQ4 在扣除前景晕贡献后，宿主星系或前身体环境对总DM的推断贡献是多少？
• RQ5 FLIMFLAM巡天数据能否为未来FRB宇宙学研究提供宿主DM分布的统计约束？

主要发现

• 对于FRB20190714A，前景晕贡献（195 pc cm⁻³）超过平均宇宙预期（92 pc cm⁻³），解释了约63%的多余DM。
• FRB20200906A的晕贡献较低（3 pc cm⁻³），表明其多余DM（366 pc cm⁻³）很可能源于宿主或前身体环境。
• FRB20200430A和FRB20210117A的晕贡献可忽略不计（各为3 pc cm⁻³），表明其大部分多余DM（分别为152和502 pc cm⁻³）必须源自宿主或局部环境。
• FRB20190714A的模型预测宇宙DM（DM_cosmic_model，312 pc cm⁻³）与观测估计值（275 pc cm⁻³）非常接近，验证了晕建模方法的有效性。
• 本研究得出结论：FRB中高DM_cosmic估计值源于前景高密度结构与宿主贡献的共同作用，两者可能性相当。
• 预计FLIMFLAM巡天将提供宿主DM值的后验分布，可作为未来IGM层析成像和前身体通道研究的先验条件。

Figure 2: Histogram of galaxy redshifts obtained from the AAOmega spectrograph in the four fields. The full 1.1 degree radius sample is shown in blue and the subset of galaxies within 10 arcmin is shown in orange. The FRB redshift is marked by the dashed red line, and the shaded region represents ba