快速射电暴宿主星系中性氢分布研究揭示其与星系扰动无显著关联

《Publications of the Astronomical Society of Australia》：The Distribution of Atomic Hydrogen in the Host Galaxies of FRBs

为解决FRB（快速射电暴）宿主星系是否存在普遍性中性氢（H I）扰动的问题，研究人员通过GMRT、MeerKAT和FAST等射电望远镜对17个FRB宿主星系开展H I观测，发现扰动与未扰动星系比例为11:6（p=0.222），表明FRB与星系合并诱导的星暴活动无显著关联，但证实了FRB与恒星形成活动的紧密联系。

　　

在宇宙中，一种名为快速射电暴（FRB）的毫秒级无线电爆发现象始终困扰着天文学家。尽管其河外起源已被证实，但产生机制仍不明确。早期研究表明，FRB倾向于出现在恒星形成星系中，这与磁星（magnetar）等“快速通道” progenitor模型相符。更引人注目的是，此前仅有6个FRB宿主星系被开展中性氢（H I）观测，其中5个显示出H I分布不对称或扰动特征，这暗示FRB可能与星系合并或相互作用引发的星暴活动有关。然而，样本量太小，这一趋势的统计显著性存疑。

为验证这一猜想，由H. Roxburgh领导的研究团队在《Publications of the Astronomical Society of Australia》上发表了一项研究，他们将FRB宿主星系的H I观测样本扩大了近三倍，利用印度升级版巨米波射电望远镜（uGMRT）、南非MeerKAT和中国500米口径球面射电望远镜（FAST）等设备，对17个红移z≤0.1的FRB宿主星系开展了H I谱线和成像观测。通过视觉检查和多种不对称性指标（包括A_flux、A_spec、A_1D、A_2D和A_3D）量化分析，首次明确发现并非所有FRB宿主星系都存在H I扰动——在17个目标中，16个被检测到H I发射，其中6个清晰扰动、6个未扰动、1个临界案例，其余需进一步观测。结合此前数据，扰动与未扰动星系比例为11:6，与背景星系期望的1:1比例无显著差异（p=0.222）。这表明FRB progenitor的形成与星系合并诱导的星暴活动并无根本联系，但所有宿主均具有高H I质量（M_HI > 10⁹ M_⊙），进一步支持FRB与恒星形成活动的关联。

研究采用的关键技术包括：

1. 1.
   使用uGMRT、MeerKAT和FAST进行H I谱线观测与成像，数据处理依托CASA和SoFiA-2 pipeline；
2. 2.
   通过3DACs代码计算三维不对称性指标，结合光学数据确定旋转中心；
3. 3.
   利用DESI、DECaPS和Pan-STARRS等巡天数据获取宿主星系光学对应体和形态信息；
4. 4.
   对低信噪比数据采用重分bin策略优化不对称性测量。

样本选择与观测

研究目标选自CHIME、CRAFT和MeerTRAP等巡天已定位的FRB，宿主关联概率P(O|x)≥0.9，且红移z≤0.1以确保H I线可观测。样本包含9个CHIME FRB、6个CRAFT FRB和2个MeerKAT FRB，其中仅FRB 20200223B为重复暴，其余为表观非重复暴。

H I属性与全局特征

所有宿主星系均被检测到H I发射（除过渡至静止的FRB 20200223B宿主），H I质量较高（log(M_HI/M_⊙)≈8.9–10.3），符合先前报道的高恒星质量和高恒星形成率特征。但气体分数和恒星形成效率分布广泛，与xGASS背景星系样本相比无异常。

不对称性量化与扰动评估

通过多种指标评估扰动：

• •
  A_flux：基于谱线积分通量不对称性，阈值1.3；
• •
  A_spec：反映通道级变化，阈值0.5；
• •
  A_1D/2D/3D：基于3DACs计算，A_3D≥0.3视为扰动。
  结果显示，扰动宿主如FRB 20181223C和FRB 20200723B在通道图中显示出明显气体延伸或潮汐特征，而未扰动宿主如FRB 20190425A和FRB 20211127I则呈现对称谱和空间分布。

重复暴与非重复暴宿主对比

重复暴宿主（如FRB 20180916B）的H I质量略低于非重复暴，但多元方差分析（MANOVA）显示无显著差异（p>0.05），与光学研究结论一致。

动力学质量与重子分数

基于H I线宽和光学倾角估算旋转速度V_rot和维里质量M₂₀₀，发现FRB宿主星系的重子分数与背景样本一致，无异常。

H I与色散测量（DM）的潜在联系

研究探讨了利用H I柱密度推断宿主星系对FRB色散测量贡献的可能性，但因beam尺寸和定位精度限制，未实现定量关联。

结论与意义

本研究通过扩大样本和多种不对称性指标分析，否定了FRB宿主星系普遍存在H I扰动的早期趋势，表明FRB progenitor形成无需依赖星系合并等剧烈环境。但所有宿主均富含H I气体，强化了FRB与恒星形成活动的关联。未来随着低红移FRB样本增长，高分辨率H I成像有望进一步约束宿主对DM的贡献，并深入探索重复暴与非重复暴宿主的潜在差异。