[論文レビュー] A Bright Gamma-ray Galactic Center Excess and Dark Dwarfs: Strong Tension for Dark Matter Annihilation Despite Milky Way Halo Profile and Diffuse Emission Uncertainties

Kevork N. Abazajian, Ryan E. Keeley|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、銀河中心過剰（GCE）がフェルミ-LATデータにおいて、はくい銀河のダークマター核の密度プロファイルと拡散ガンマ線放射の不確実性を組み込むことで調査されている。これらの不確実性にもかかわらず、GCEは矮星族銀河の調査から得られるダークマター対消滅制約と強い矛盾を示しており、これは非常に凝縮された核、GCと矮星族の間で対消滅挙動が異なる、あるいは従来の予想よりも低い局所的星の密度である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We incorporate Milky Way dark matter halo profile uncertainties, as well as an accounting of diffuse gamma-ray emission uncertainties in dark matter annihilation models for the Galactic Center Extended gamma-ray excess (GCE) detected by the Fermi Gamma Ray Space Telescope. The range of particle annihilation rate and masses expand when including these unknowns. However, two of the most precise empirical determinations of the Milky Way halo's local density and density profile leave the signal region to be in considerable tension with dark matter annihilation searches from combined dwarf galaxy analyses for single-channel dark matter annihilation models. The GCE and dwarf tension can be alleviated if: one, the halo is very highly concentrated or strongly contracted; two, the dark matter annihilation signal differentiates between dwarfs and the GC; or, three, local stellar density measures are found to be significantly lower, like that from recent stellar counts, increasing the local dark matter density.

研究の動機と目的

• はくい銀河のダークマター核密度プロファイルの不確実性が、銀河中心過剰（GCE）をダークマター信号として解釈するのに与える影響を評価すること。
• 拡散ガンマ線放射の不確実性が、GCEのダークマター対消滅モデルに与える影響を評価すること。
• 現実的な天体物理学的不確実性のもとで、GCEと矮星族銀河からのダークマター制約の間にある矛盾が解消可能かどうかをテストすること。
• はくい銀河核の収縮や再評価された局所的星の密度推定値を含む、GCEと既存のダークマター対消滅限界を調和させる代替説を検討すること。

提案手法

• GCE信号強度に与える影響を評価するために、非常に凝縮されたモデルや収縮したモデルを含む、はくい銀河のダークマター核密度プロファイルの範囲を組み込んだ。
• 特に宇宙線相互作用に起因する拡散ガンマ線放射成分の不確実性を考慮し、GCE領域における背景モデルの精緻化を図った。
• はくい銀河中心のフェルミ-LAT観測と複数の矮星族銀河調査データを組み合わせ、単一チャネルのダークマター対消滅モデルとの整合性を検証した。
• 星の運動論的測定と最近の星のカウントを用いた局所的ダークマター密度の実測値を用い、再評価された局所的密度が矛盾に与える影響を検討した。
• はくい銀河中心と矮星族の間で対消滅断面積が異なる可能性を考慮し、環境依存性を許容する対消滅断面積の影響を評価した。
• 核および背景の仮定が変化する条件下でのダークマター質量と対消滅率の許容可能なパラメータ空間を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 はくい銀河のダークマター核密度プロファイルの不確実性は、銀河中心過剰がダークマター対消滅モデルと整合する度合いにどのように影響するか？
• RQ2 拡散ガンマ線放射の不確実性は、GCEの推定されるダークマター対消滅率と質量制約をどの程度変化させるか？
• RQ3 非常に凝縮されたまたは収縮した核を仮定することで、観測されたGCEと矮星族対消滅制約の間の矛盾が解消可能か？
• RQ4 はくい銀河中心と矮星族の間でダークマター対消滅率が異なると仮定すれば、矛盾は緩和されるか？
• RQ5 最近の星のカウント測定と整合するように、局所的星の密度が大幅に減少した場合、局所的ダークマター密度が上昇し、矮星族制約との矛盾が解消されるか？

主な発見

• 核プロファイルと拡散放射の不確実性を考慮しても、銀河中心過剰は、複数の矮星族銀河解析から得られるダークマター対消滅制約と強い矛盾を示し続けている。
• はくい銀河の局所的ダークマター密度と核プロファイルの2つの最も正確な実測値に対しても、その矛盾は依然として継続している。
• この矛盾を解消するには、非常に凝縮されたか、強く収縮したダークマター核が必要であり、これは現在の制約から不適切とされる。
• はくい銀河中心と矮星族の間で対消滅挙動が異なるという代替説は、矛盾を緩和する可能性を秘めているが、非一様な対消滅断面積を要する。
• 最近の星のカウント測定と整合するように、局所的星の密度が大幅に減少すれば、局所的ダークマター密度が上昇し、GCEと矮星族制約の調和を図る助けになる。
• 現在のデータは、標準的でない核の性質や対消滅率の環境依存性を仮定しない限り、GCEを単純なダークマター対消滅説明で説明できないことを示唆している。