Revealing the cosmic reionization history is at the frontier of extragalactic astronomy. The power spectrum of the cosmic microwave background (CMB) polarization can be used to constrain the reionization history. Here, we propose a CMB-independent method using fast radio bursts (FRBs) to directly measure the ionization fraction of the intergalactic medium (IGM) as a function of redshift. FRBs are new astronomical transients with millisecond time-scales. Their dispersion measure (DMIGM) is an indicator of the amount of ionized material in the IGM. Since the differential of DMIGM against redshift is proportional to the ionization fraction, our method allows us to directly measure the reionization history without any assumption on its functional shape. As a proof of concept, we constructed mock non-repeating FRB sources to be detected with the Square Kilometre Array, assuming three different reionization histories with the same optical depth of Thomson scattering. We considered three cases of redshift measurements: (A) spectroscopic redshift for all mock data, (B) spectroscopic redshift for 10 per cent of mock data, and (C) redshift estimated from an empirical relation of FRBs between their time-integrated luminosity and rest-frame intrinsic duration. In all cases, the reionization histories are consistently reconstructed from the mock FRB data using our method. Our results demonstrate the capability of future FRBs in constraining the reionization history.

中文翻译：

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用平方公里阵列时代的快速射电暴揭示宇宙再电离历史

揭示宇宙再电离历史处于河外天文学的前沿。宇宙微波背景 (CMB) 极化的功率谱可用于约束再电离历史。在这里，我们提出了一种独立于 CMB 的方法，该方法使用快速射电暴 (FRB) 来直接测量作为红移函数的星系间介质 (IGM) 的电离分数。FRB 是具有毫秒时间尺度的新天文瞬变。它们的分散量度 (DMIGM) 是 IGM 中电离材料量的指标。由于 DMIGM 与红移的差异与电离分数成正比，因此我们的方法允许我们直接测量再电离历史，而无需对其功能形状进行任何假设。作为概念证明，我们构建了模拟非重复 FRB 源，以用平方公里阵列检测，假设三个不同的再电离历史具有相同的汤姆森散射光学深度。我们考虑了三种红移测量情况：(A) 所有模拟数据的光谱红移，(B) 10% 模拟数据的光谱红移，以及 (C) 根据 FRB 的时间积分光度和光度之间的经验关系估计的红移休息帧内在持续时间。在所有情况下，使用我们的方法从模拟 FRB 数据中一致地重建再电离历史。我们的结果证明了未来 FRB 限制再电离历史的能力。我们考虑了三种红移测量情况：(A) 所有模拟数据的光谱红移，(B) 10% 模拟数据的光谱红移，以及 (C) 根据 FRB 的时间积分光度和光度之间的经验关系估计的红移休息帧内在持续时间。在所有情况下，使用我们的方法从模拟 FRB 数据中一致地重建再电离历史。我们的结果证明了未来 FRB 限制再电离历史的能力。我们考虑了三种红移测量情况：(A) 所有模拟数据的光谱红移，(B) 10% 模拟数据的光谱红移，以及 (C) 根据 FRB 的时间积分光度和光度之间的经验关系估计的红移休息帧内在持续时间。在所有情况下，使用我们的方法从模拟 FRB 数据中一致地重建再电离历史。我们的结果证明了未来 FRB 限制再电离历史的能力。