[论文解读] Statistical inference of the distance to ASKAP FRBs

Dongzi Li, Almog Yalinewich+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2019

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文使用三种独立的统计方法——色散量（DM）的计数标度、与星系红移巡天的互相关，以及不同仪器间DM的比较——推断出ASKAP快速射电暴（FRB）的实际距离显著小于其色散量所暗示的距离。结果一致表明其红移较低（z ≈ 0.007–0.01），意味着大部分色散量来自宿主星系环境而非星系际介质，对宇宙学FRB建模中的假设构成挑战。

ABSTRACT

The distances to fast radio bursts (FRBs) are crucial for understanding their underlying engine, and for their use as cosmological probes. In this paper, we provide three statistical estimates of the distance to ASKAP FRBs. First, we show that the number of events of similar luminosity in ASKAP does not scale as distance cubed, as one would expect, when directly using the observed dispersion measure (DM) to infer distance. Second, by comparing the average DMs of FRBs observed with different instruments, we estimated the average redshift of ASKAP FRBs to be $z\sim 0.01$ using CHIME and ASKAP, and $z\lesssim0.07$ using Parkes and ASKAP. Both values are much smaller than the upper limit $z\sim0.3$ estimated directly from the DM. Third, we cross-correlate the locations of the ASKAP FRBs with existing large-area redshift surveys, and see a 3$σ$ correlation with the 2MASS Redshift Survey and a 5$σ$ correlation with the HI Parkes All Sky Survey at $z\sim0.007$. This corresponds well with the redshift of the most likely host galaxy of ASKAP FRB 171020, which is at $z=0.00867$. These arguments combined suggest an extremely nearby origin of ASKAP FRBs and a local environment with accumulated electrons that contribute a DM of several hundred pc/cm$^3$, which should be accounted for in theoretical models.

研究动机与目标

• 解决基于色散量（DM）的距离估计与实际FRB距离之间的差异。
• 检验观测到的FRB计数标度与DM³的关系是否符合仅由星系际介质（IGM）主导的模型。
• 利用与大尺度星系巡天的互相关，评估ASKAP FRB的红移分布。
• 比较不同仪器（CHIME、Parkes、ASKAP）的DM分布，以推断平均红移。
• 约束宿主星系及周边环境对总DM的贡献。

提出的方法

• 分析ASKAP FRB的累积计数，按校正后的DM对具有相似亮度的源进行分类，以检验其是否符合仅由IGM主导的模型所预测的DM³标度关系。
• 通过仪器间DM比值分析，比较ASKAP与CHIME、Parkes的平均过剩DM，以推断红移。
• 将ASKAP FRB的天球位置与两个大尺度红移巡天（2MRS和HIPASS）进行互相关，以探测特定红移下的空间聚集现象。
• 使用统计显著性检验（3σ和5σ）识别在z ≈ 0.007处互相关函数的峰值。
• 应用红移依赖的相关函数，并对预期的r⁰.⁶标度进行建模，以验证观测到的聚集现象。
• 结合多种独立的统计检验，强化对FRB距离及DM起源的推断。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅由IGM主导的模型下，具有相似亮度的FRB计数是否如预期那样随DM³标度变化？
• RQ2 当将ASKAP FRB的DM与CHIME和Parkes的DM进行比较时，其推断的红移是多少？
• RQ3 ASKAP FRB的位置与特定红移处的大尺度星系结构之间是否存在统计显著的空间相关性？
• RQ4 ASKAP FRB的观测DM与假设所有DM均来自IGM时推导出的上限相比如何？
• RQ5 ASKAP FRB中，有多少比例的总DM可能来自宿主星系或其周围环境，而非IGM？

主要发现

• 具有相似亮度的ASKAP FRB计数随DM¹·⁵变化，而非DM³，表明其偏离了仅由IGM主导的模型。
• 与2MASS红移巡天的互相关在z ≈ 0.007处显示出3σ显著性峰值。
• 与HI Parkes全天空巡天（HIPASS）的互相关在z ≈ 0.007处显示出5σ显著性峰值，与FRB 171020的宿主红移z = 0.00867一致。
• CHIME与ASKAP平均DM的比较表明，ASKAP FRB的平均红移约为z ≈ 0.01，远低于仅由IGM决定的z ≈ 0.3的上限。
• 与Parkes数据的比较得出更高的红移估计值z ≲ 0.07，可能受射频干扰（RFI）环境影响而偏高，但仍显著低于IGM的上限。
• 综合结果表明，ASKAP FRB中相当大一部分的色散量——达数百pc·cm⁻³——源自宿主系统，而非IGM。