[论文解读] The fast radio burst population evolves with the star-formation rate

C. James, J. X. Prochaska+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 9

一句话总结

本研究使用详细的观测模型分析来自 ASKAP 和 Parkes 的 FRB 样本，发现 FRB 群体的演化与红移成正比，且与恒星形成率直接相关，在 98% 置信水平下排除了非演化群体的可能性。结果支持 FRB 源自磁星爆发，最大能量为 log₁₀ Eₘₐₓ = 41.85 erg，宿主星系 DM 贡献为 138 pc cm⁻³。

ABSTRACT

Fast radio bursts (FRBs) are extremely powerful sources of radio waves observed at cosmological distances. We use a sophisticated model of FRB observations -- presented in detail in a companion paper -- to fit FRB population parameters using large samples of FRBs detected by ASKAP and Parkes, including seven sources with confirmed host galaxies. Our fitted parameters demonstrate that the FRB population evolves with redshift in a manner consistent with the star-formation rate, ruling out a non-evolving population at 98\% C.L., and 95\% even when considering alternative models. Our estimated maximum FRB energy is $\log_{10} E_{ m max} [{ m erg}] = 41.85_{-0.20}^{+0.44}$ (68\% C.L.) assuming a 1\,GHz emission bandwidth, with slope of the cumulative luminosity distribution $\gamma=-1.16_{-0.12}^{+0.11}$. We find a log-mean host DM contribution of $138_{-51}^{+71}$\,pc\,cm$^{-3}$ on top of a typical local (ISM and halo) contribution of $\sim80$\,pc\,cm$^{-3}$, which is higher than most literature values. These results are consistent with the model of FRBs arising as the high-energy limit of magnetar bursts.

研究动机与目标

• 确定快速射电暴（FRB）群体是否随宇宙时间演化。
• 检验 FRB 率与恒星形成历史相关联的假设，并与非演化模型进行对比。
• 约束 FRB 群体的关键参数，包括光度函数斜率和能量分布。
• 估计宿主星系色散测量（DM）对总观测 DM 的典型贡献。

提出的方法

• 将复杂的 FRB 观测统计模型应用于 ASKAP 和 Parkes 望远镜的大规模数据集。
• 该模型结合了红移依赖的 FRB 率演化，并拟合观测到的 FRB 能流和色散测量分布。
• 光度函数采用幂律形式，斜率 γ 作为自由参数。
• 模型考虑了来自星际介质、星系晕和宿主星系的色散测量贡献。
• 使用贝叶斯推断在多个竞争模型下约束参数，包括最大 FRB 能量和宿主 DM。
• 分析包含七例具有确认宿主星系的 FRB，以锚定红移和 DM 测量值。

实验结果

研究问题

• RQ1 FRB 群体是否表现出与宇宙恒星形成率一致的红移演化？
• RQ2 FRB 群体的本征光度函数斜率 γ 是多少？
• RQ3 FRB 的最大能量输出是多少，其随红移如何变化？
• RQ4 宿主星系对总色散测量的典型贡献是多少？
• RQ5 FRB 群体更符合与恒星形成相关的演化模型，还是非演化群体模型？

主要发现

• FRB 群体的红移演化在统计上与宇宙恒星形成率一致，在 98% 置信水平下排除了非演化群体的可能性。
• 在假设 1 GHz 带宽的前提下，最大 FRB 能量被约束为 log₁₀ Eₘₐₓ = 41.85 erg，68% 可信区间为 41.65 至 42.29 erg。
• 累积光度函数的斜率测量为 γ = -1.16，68% 可信区间为 -1.28 至 -1.05。
• 宿主星系对色散测量的对数平均贡献为 138 pc cm⁻³，68% 可信区间为 87 至 209 pc cm⁻³。
• 宿主 DM 贡献高于大多数先前文献估计，表明致密环境有显著贡献。
• 结果最符合 FRB 源于磁星爆发高能端的模型。