Modelling DSA, FAST and CRAFT surveys in a z-DM analysis and constraining a minimum FRB energy

Technische Samenvatting: Modellering van DSA-, FAST- en CRAFT-onderzoeken in een z-DM-analyse en het beperken van een minimale FRB-energie

Probleemstelling
De wetenschap van Fast Radio Bursts (FRB's) heeft tot doel de oorsprong van deze uitbarstingen te verduidelijken en ze te gebruiken voor kosmologische studies, met name het traceren van de verdeling van geïoniseerde baryonen en het beperken van de Hubble-constante ($H_0$). Eerdere analyses met het $z$–DM-kader (roodverplaatsing–dispersiemaat), zoals die van James, Ghosh, et al. (2022) en Baptista et al. (2023), hebben instrumentele vertekeningen succesvol gemodelleerd en populatieparameters gefit met behulp van gegevens uit de Parkes- en ASKAP (CRAFT)-onderzoeken. Deze studies waren echter beperkt door statistiek met kleine aantallen en de uitsluiting van nieuwere, uiterst gevoelige onderzoeken zoals de Deep Synoptic Array (DSA) en de Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST). Bovendien behandelden eerdere modellen bijdragen van de Galactische dispersiemaat (DM) vaak als vaste waarden, wat mogelijk leidde tot een overschatting van de precisie van afgeleide kosmologische en populatieparameters.

Methodologie
Dit werk breidt de $z$DM-code uit om gegevens van 119 FRB's op te nemen, waaronder 29 met geassocieerde roodverplaatsingen, door de observationele vertekeningen van de DSA- en FAST-onderzoeken te modelleren naast bijgewerkte CRAFT/ICS-gegevens.

• Modellering van Onderzoeken:
  • FAST: Gemodelleerd als een sferische enkele-schoteltelescoop met een 19-stralenontvanger. Het stralingspatroon werd benaderd met 19 Gaussische stralen met Half-Power Beamwidths (HPBW) afgeleid van Jiang et al. (2020). De analyse omvatte 9 niet-gelocaliseerde FRB's die werden gedetecteerd in het Commensal Radio Astronomy FAST Survey (CRAFTS) en de Galactic Plane Pulsar Snapshot (GPPS).
  • DSA: Gemodelleerd met behulp van commissioning-gegevens van DSA-110. Het stralingspatroon werd benaderd als een enkele Gaussische verdeling met een Full-Width Half-Maximum (FWHM) van $2.6^\circ$. Om detectiebias tegen FRB's met hoge roodverplaatsing te vermijden (die verschijnen in zwakkere gastheergalaxieën), werden roodverplaatsingen alleen gebruikt voor FRB's waarbij de extragalactische DM ($DMEG$) onder een drempelwaarde lag ($183 \text{ pc cm}^{-3}$), waarmee een complete steekproef van gelocaliseerde gastheerobjecten werd gewaarborgd.
  • CRAFT: Omvatte aanvullende FRB's die tot eind 2023 werden gedetecteerd, met uitzondering van FRB 20171216A omdat de Signaal-Ruisverhouding (SNR) onder de bijgewerkte drempelwaarde viel.
• Statistische Verbeteringen:
  • Onzekerheid in Galactische DM: In tegenstelling tot eerdere studies die vaste waarden gebruikten voor het Interstellair Medium ($DM_{ISM}$) en de Melkweg-halo ($DM_{halo}$), modelleert dit werk $DM_{MW}$ als een waarschijnlijkheidsverdeling. $DM_{ISM}$ wordt gemodelleerd als een afgeknotte normale verdeling op basis van het NE2001-model met een standaardafwijking van 50%, en $DM_{halo}$ wordt gemodelleerd als een normale verdeling met een gemiddelde van $50 \text{ pc cm}^{-3}$ en $\sigma = 15 \text{ pc cm}^{-3}$.
  • MCMC-implementatie: Vanwege de toegenomen rekenlast door extra onderzoeken en parameters, is de analyse overgeschakeld van een roostergebaseerde likelihood-berekening naar een Markov Chain Monte Carlo (MCMC)-sampler (EMCEE) die draait op de OzSTAR-supercomputer.
  • Vrije parameter $E_{min}$: Een harde afkapwaarde voor de minimale FRB-energie ($E_{min}$) werd geïntroduceerd als vrije parameter, waardoor de analyse het lage-energie-omslagpunt van de lichtkrachtfunctie kan onderzoeken.

Belangrijkste Resultaten

• Beperking van Minimale Energie: De analyse levert een beperking op van de minimale FRB-energie van $\log E_{min} (\text{erg}) = 39.47^{+0.54}_{-1.28}$. Deze waarde is aanzienlijk hoger dan de energieën die worden gedetecteerd bij sterke herhalers (zoals FRB 20121102A en FRB 20201124A), die vaak worden waargenomen tot ongeveer $10^{37}$ erg.
• Populatieparameters: De spectrale index $\alpha$ geeft de voorkeur aan een vlakke waarde van $0.11^{+0.66}_{-0.60}$, wat afwijkt van de negatieve helling die de voorkeur had in eerdere ASKAP-only analyses. Wanneer $H_0$ echter vrij mag variëren, verschuift de voorkeur terug naar een negatieve helling ($\alpha \approx -0.92$).
• Propagatie van Onzekerheid: De opname van onzekerheid in $DM_{MW}$ leidt tot grotere onzekerheden in afgeleide modelparameters in vergelijking met eerdere schattingen, ondanks de toegenomen grootte van de dataset.
• Voorspellingen voor Toekomstige Detecties:
  • FAST: Verwacht wordt dat 25–41% van de FRB's bij $z \gtrsim 2$ wordt gedetecteerd en 6–20% bij $z \gtrsim 3$. De verdeling piekt bij $z \approx 1$, met 73–77% van de detecties voorbij $z \gtrsim 1$.
  • DSA: Verwacht wordt dat 2–12% van de FRB's bij $z \gtrsim 1$ wordt gedetecteerd.
  • Onderzoekslimieten: De huidige maximale zoek-DM voor FAST (3700–5000 $\text{ pc cm}^{-3}$) zal naar verwachting 7–18% van de mogelijke detecties missen, terwijl de limiet van DSA van $1500 \text{ pc cm}^{-3}$ naar verwachting 3–8% zal missen.

Betekenis en Aanspraken
De auteurs beweren dat dit werk de eerste beperking van $E_{min}$ biedt die is afgeleid uit een $z$–DM-analyse. De hoge waarde van $E_{min}$ suggereert twee mogelijkheden:

1. Er is een lage-energie-omslag (afvlakking) in de lichtkrachtfunctie van de algemene FRB-populatie, wat betekent dat de onderzoeken niet gevoelig genoeg zijn om het laag-energetische staartje te detecteren.
2. Sterke herhalers bezitten een fundamenteel verschillende lichtkrachtfunctie in vergelijking met detecties van enkele uitbarstingen (of schijnbare enkele uitbarstingen).

Het artikel benadrukt dat hoewel de nieuwe gegevens de toegankelijke parameter ruimte uitbreiden naar hogere roodverplaatsingen, het onvermogen om FRB's met hoge $z$ robuust te localiseren met FAST momenteel de mogelijkheid beperkt om geassocieerde roodverplaatsingen te verkrijgen. Bijgevolg stellen de auteurs dat precieze metingen van $DM_{ISM}$ cruciaal zullen zijn voor toekomstige beperkingen van kosmologische parameters zoals $H_0$. Het werk dient als methodologische verfijning en toont aan dat het opnemen van onzekerheden in Galactische bijdragen noodzakelijk is om kunstmatige vertekening van de beperkende kracht van FRB's met lage DM te voorkomen.