A search for Fast Radio Bursts from globular clusters in M49 with FAST

Resumen Técnico: Una búsqueda de ráfagas de radio rápidas desde cúmulos globulares en M49 con FAST

Problema y Motivación
Los orígenes de las ráfagas de radio rápidas (FRB, por sus siglas en inglés) siguen siendo inciertos, siendo los magnetares un principal candidato progenitor. Aunque los magnetares suelen estar asociados con poblaciones estelares jóvenes formadas mediante supernovas de colapso de núcleo, el descubrimiento de la FRB repetitiva 20200120E en un cúmulo globular (GC) dentro de la galaxia cercana M81 desafió este paradigma. El GC anfitrión de la FRB 20200120E es antiguo y pobre en metales, lo que sugiere que las FRB pueden surgir de poblaciones estelares más viejas a través de canales alternativos, como el colapso inducido por acreción de enanas blancas o fusiones. Sin embargo, la FRB 20200120E sigue siendo la única FRB confirmada alojada en un GC. Ampliar la muestra de FRB localizadas en galaxias cercanas es esencial para probar los canales de formación en entornos estelares antiguos. M49 (NGC 4472), una galaxia elíptica gigante de radio-silenciosa en el cúmulo de Virgo que alberga aproximadamente 7,000 GCs a una distancia de $\approx$17 Mpc, presenta un objetivo ideal para tal búsqueda.

Metodología
Los autores realizaron una observación de 9 horas de M49 utilizando el receptor de 19 haces del Telescopio Esférico de Apertura de Quinientos Metros (FAST) en modo SnapShotCal. Las observaciones se dividieron en tres sesiones (octubre de 2023, diciembre de 2023 y abril de 2024), produciendo un tiempo de integración total sobre la fuente de 8.4 horas. El sondeo cubrió aproximadamente 4,230 GCs, con un tiempo de exposición efectivo ($T_{\text{eff}}$) de 2.1 horas por GC, contabilizando el patrón de ciclo de haz.

El procesamiento de datos consistió en:

• Pre-procesamiento: Concatenación de archivos FITS en bancos de filtros de 480 segundos y conversión a datos de intensidad total de 2 bits (Stokes I) con una resolución temporal de 98.304 $\mu$s.
• Pipeline de búsqueda: Se realizó una búsqueda de pulso único utilizando TRANSIENTX, un pipeline basado en CPU que emplea dedispersión de sub-bandas.
• Parámetros: La búsqueda cubrió un rango de Medida de Dispersión (DM) de 0–5000 pc cm$^{-3}$ y anchos de pulso de 0.1 ms a 100 ms (usando 32 anchos de caja/boxcar). La mitigación de la interferencia de radiofrecuencia (RFI) incluyó filtrado de Kadane y filtrado de coincidencia de cero-DM.
• Cálculo de sensibilidad: La sensibilidad de densidad de flujo pico promedio del haz se derivó mediante la ecuación del radiómetro, considerando la temperatura del sistema ($T_{\text{sys}} \approx 21$ K), las variaciones de ganancia a través de los 19 haces y los efectos de ensanchamiento de pulso.

Resultos Clave

1. No detección de FRBs confirmadas: No se detectaron FRBs astrofísicas inequívocas. La búsqueda devolvió 23,415 candidatos con una relación señal-ruido (S/N) > 7.0, pero la inspección visual y el análisis de RFI eliminaron todos excepto 20 candidatos.
2. Candidato más significativo: El evento más significativo tuvo un S/N post-procesado de 8.6, una fluencia de 14.5 mJy ms, un ancho de 0.7 ms y un DM de 412.2 pc cm$^{-3}$.
   • Evaluación estadística: Al contabilizar el factor de ensayos ($N_{\text{trials}} \approx 2.90 \times 10^{15}$), la probabilidad de falsa alarma indica que este activador es estadísticamente consistente con el ruido térmico gaussiano.
   • Evaluación astrofísica: El DM del candidato (412.2 pc cm$^{-3}$) excede significativamente el presupuesto total de DM estimado para un origen en un GC de M49 (81–179 pc cm$^{-3}$), el cual incluye contribuciones de la Vía Láctea, el medio intracúmulo de Virgo y el halo caliente de M49. Esto sugiere que el candidato es probablemente una FRB de fondo o ruido, en lugar de una fuente de un GC de M49.
3. Límites de sensibilidad: El sondeo alcanzó una sensibilidad de densidad de flujo pico promedio del haz de $\approx$16.5 mJy para un pulso de 1 ms, lo que corresponde a una fluencia límite de $\approx$16.5 mJy ms.
4. Límites superiores en la tasa de ocurrencia: Asumiendo la ausencia de detecciones, los autores derivaron un límite superior de 95% de una sola cola para la tasa de ocurrencia de FRB de $4.7 \times 10^{-4}$ FRB GC$^{-1}$ hr$^{-1}$ para ráfagas por encima del umbral de fluencia.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que, si bien no se detectaron FRBs brillantes, la no detección establece límites superiores estrictos y limitados por la sensibilidad sobre la tasa de ocurrencia de FRB en los GCs de M49. El límite de tasa derivado se aplica únicamente a ráfagas con fluencias que exceden los $\approx$16.5 mJy ms.

Los autores enfatizan que sus resultados no descartan la existencia de repetidores más tenues, fuentes episódicas o fuentes con bajos ciclos de trabajo que caen por debajo del umbral de detección. Específicamente:

• El sondeo es sensible principalmente a la parte más brillante de una distribución similar a la de la FRB 20200120E; la mayoría de las ráfagas publicadas de la FRB 20200120E caerían por debajo del límite de detección si se escalaran a la distancia de M49.
• La ausencia de detecciones es consistente con modelos donde el canal de formación dominante de las FRB involucra magnetares jóvenes, permitiendo al mismo tiempo un canal asociado a GCs más raro o de ráfagas más débiles.
• Los resultados sugieren que, si existen fuentes de FRB similares a la FRB 20200120E en M49, estas son intrínsecamente raras dentro de la población de GCs o están activas solo durante ciclos de trabajo limitados.

El estudio concluye que es necesario un monitoreo a largo plazo de galaxias cercanas con sistemas ricos en GCs, o el objetivo de sistemas de GC más cercanos (por ejemplo, en NGC 253), para establecer restricciones más fuertes sobre las tasas de ocurrencia de FRB en entornos estelares antiguos.