[论文解读] The Demographics, Stellar Populations, and Star Formation Histories of Fast Radio Burst Host Galaxies: Implications for the Progenitors

Alexa C. Gordon, Wen‐fai Fong+27 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 7

一句话总结

本研究利用光度和光谱数据，对23个快速射电暴（FRB）宿主星系进行了综合分析，通过Prospector模型模拟其恒星种群和恒星形成历史（SFHs）。结果表明，大多数FRB宿主星系处于活跃恒星形成状态，重复源与非重复源之间无显著差异，支持短延迟原初体模型（如大质量脉冲星来自核心塌缩超新星），尽管部分FRB出现在低活动环境中，提示原初体多样性可能更高。

ABSTRACT

We present a comprehensive catalog of observations and stellar population properties for 23 highly secure host galaxies of fast radio bursts (FRBs). Our sample comprises six repeating FRBs and 17 apparent non-repeaters. We present 82 new photometric and eight new spectroscopic observations of these hosts. Using stellar population synthesis modeling and employing non-parametric star formation histories (SFHs), we find that FRB hosts have a median stellar mass of $\approx 10^{9.9}\,M_{\odot}$, mass-weighted age $\approx 5.1$ Gyr, and ongoing star formation rate $\approx 1.3\,M_{\odot}$ yr$^{-1}$ but span wide ranges in all properties. Classifying the hosts by degree of star formation, we find that 87% (20/23 hosts) are star-forming, two are transitioning, and one is quiescent. The majority trace the star-forming main sequence of galaxies, but at least three FRBs in our sample originate in less active environments (two non-repeaters and one repeater). Across all modeled properties, we find no statistically significant distinction between the hosts of repeaters and non-repeaters. However, the hosts of repeating FRBs generally extend to lower stellar masses, and the hosts of non-repeaters arise in more optically luminous galaxies. While four of the galaxies with the most clear and prolonged rises in their SFHs all host repeating FRBs, demonstrating heightened star formation activity in the last $\lesssim 100$ Myr, one non-repeating host shows this SFH as well. Our results support progenitor models with short delay channels (i.e., magnetars formed via core-collapse supernova) for most FRBs, but the presence of some FRBs in less active environments suggests a fraction form through more delayed channels.

研究动机与目标

• 整理23个高置信度FRB宿主星系的光度和光谱观测数据。
• 利用非参数化方法和恒星种群合成模型，对FRB宿主星系的恒星种群属性和恒星形成历史（SFHs）进行建模。
• 比较重复源与非重复源FRB宿主星系在星系特征、恒星质量、年龄和恒星形成速率方面的异同。
• 评估宿主星系属性对FRB原初体模型的启示，特别是区分短延迟与长延迟通道。
• 探究FRB宿主星系是否遵循恒星形成主序列，或是否位于活动性较低的环境中，并探讨近期恒星形成对FRB发生的影响。

提出的方法

• 利用82组新的光度观测和8组新的光谱观测，覆盖23个FRB宿主星系，包括重复源与非重复源。
• 应用Prospector（一种贝叶斯恒星种群合成代码），对恒星种群进行建模，并推导非参数化的恒星形成历史（SFHs）。
• 在Prospector中采用灵活的先验框架，对尘埃消光、金属丰度和恒星形成速率比等参数使用均匀分布、截断正态分布和对数均匀分布。
• 通过多项式拟合和异常值建模，整合电离气体发射线和光谱校准，以提高SED和光谱拟合的准确性。
• 采用12阶切比雪夫多项式拟合和速度弥散平滑方法建模观测光谱，对发射线进行边缘化处理。
• 应用基于经验关系（如Gallazzi et al. 2005年质量-金属丰度关系）和物理约束（如Kroupa初始质量函数、Calzetti尘埃律）的先验，以确保物理一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB宿主星系的典型恒星质量、年龄和恒星形成速率是多少？
• RQ2 重复FRB宿主星系在恒星种群属性上是否系统性地不同于非重复FRB宿主星系？
• RQ3 FRB宿主星系在多大程度上遵循恒星形成主序列？有多少宿主星系位于低活动或休眠环境中？
• RQ4 有多少比例的FRB宿主星系表现出近期增强的恒星形成（约100 Myr内），这与重复性有何关联？
• RQ5 宿主星系属性对FRB原初体机制有何启示，特别是区分短延迟（如大质量脉冲星）与长延迟模型？

主要发现

• FRB宿主星系的中位恒星质量约为$10^{9.9}\rm\thinspace M_{\bigodot}$，中位质量加权年龄为5.1 Gyr，中位持续恒星形成速率为1.3 $M_{\bigodot}\rm\thinspace yr^{-1}$。
• 87%（23个中的20个）的FRB宿主星系处于恒星形成状态，2个处于过渡状态，1个处于休眠状态，大多数宿主星系位于恒星形成主序列上。
• 在重复源与非重复源的恒星种群属性之间未发现统计显著差异，尽管重复源更常位于质量较低的宿主星系中。
• 三个FRB宿主星系——两个非重复源和一个重复源——位于活动性较低的环境中，表明FRB可在低恒星形成区域发生。
• 四个宿主星系在最近约100 Myr内表现出清晰且持续的恒星形成上升趋势，全部宿主为重复FRB，且一个非重复源宿主也表现出此特征，提示近期恒星形成可能与重复性相关。
• 结果支持短延迟原初体模型（如核心塌缩超新星形成的磁星）解释大多数FRB，但部分FRB出现在低活动环境中，提示存在一部分FRB可能源于长延迟通道或其它机制。