[論文レビュー] Can the WMAP Haze really be a signature of annihilating neutralino dark matter?

Daniel T. Cumberbatch, Joe Zuntz+2 more|ArXiv.org|Jan 31, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、WMAPハージー（銀河中心からの過剰なマイクロ波放射）が、消滅するニュートリノのダークマターから生じる相対論的電子・陽電子によるシンクロトロン放射に起因するという仮説を再評価する。マルチ線形的前景フィッティングを用いたギブスおよびILC CMB推定器を用いて分析した結果、ダークマターの消滅が観測と一致するには極めて高いブースト因子（300–1700）を要するが、軟らかくシンクロトロン放射のスペクトル指数に地域的変動があると仮定すれば、それよりも良好にハージーを説明できることが判明した。

ABSTRACT

Observations by the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) satellite have identified an excess of microwave emission from the centre of the Milky Way. It has been suggested that this WMAP haze emission could potentially be synchrotron emission from relativistic electrons and positrons produced in the annihilations of one (or more) species of dark matter particles. In this paper we re-calculate the intensity and morphology of the WMAP haze using a multi-linear regression involving full-sky templates of the dominant forms of galactic foreground emission, using two different CMB sky signal estimators. The first estimator is a posterior mean CMB map, marginalized over a general foreground model using a Gibbs sampling technique, and the other is the ILC map produced by the WMAP team. Earlier analyses of the WMAP haze used the ILC map, which is more contaminated by galactic foregrounds than the Gibbs map. In either case, we re-confirm earlier results that a statistically significant residual emission remains after foreground subtraction that is concentrated around the galactic centre. However, we find that the significance of this emission can be significantly reduced by allowing for a subtle spatial variation in the frequency dependence of soft synchrotron emission in the inner and outer parts of the galaxy. We also re-investigate the prospect of a neutralino dark matter interpretation of the origin of the haze, and find that significant boosting in the dark matter annihilation rate is required, relative to that obtained with a smooth galactic dark matter distribution, in order to reproduce the inferred residual emission, contrary to that deduced in several recent studies.

研究の動機と目的

• WMAPハージーがダークマターの消滅によるシンクロトロン放射によって説明可能かどうかを再評価すること。
• 前景除去後の残差マイクロ波放射が、空間的に変化する軟らかくシンクロトロン放射によってよりよく説明されるかどうかを調査すること。
• 更新されたCMB推定器とマルチテンプレートフィッティングを用いて、中性子のダークマターがハージーの原因である可能性を評価すること。
• 観測されたハージー放射と一致させるために必要なダークマターの消滅断面積のブースト因子を定量化すること。
• 2つの異なるCMB信号推定器（ギブスサンプリングとILC）を用いた結果を比較し、残差放射の有意性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 自由自由、ダスト、シンクロトロン放射のための全天テンプレートを用いたマルチ線形回帰を実施し、銀河的前景をモデル化した。
• 2つのCMBスカイ信号推定器を用いた：ギブスサンプリングからの事後平均CMBマップ（より頑健）とWMAPチームのILCマップ。
• シンクロトロンテンプレートを内銀河領域と外銀河領域に分割し、それぞれに独立したスペクトル指数を割り当てて、地域的スペクトル変動をモデル化した。
• ダークマターの消滅に起因するシンクロトロン放射の角度分布を、Kバンド（23 GHz）における残差ハージー放射にフィットさせた。
• 観測されたシンクロトロン放射フラックスと一致させるために、4つのベンチマークSUSY中性ノ中性子モデルを用いて、ダークマターの消滅断面積における必要なブースト因子を計算した。
• スカイメープ用にHEALPixを、データアクセス用にLAMBDAを用い、WMAPデータの高精度な解析を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軟らかくシンクロトロン放射のスペクトル指数に地域的変動を許容することで、WMAPハージーを説明できるか？
• RQ2 より頑健なCMB推定器（ギブス）を用いることで、ILC推定器と比較して残差ハージー放射の有意性が低下するか？
• RQ3 中性子のダークマター消滅モデルで観測されたハージー放射を再現するには、どの程度のダークマターの消滅率のブースト因子が必要か？
• RQ4 異なるダークマター密度プロファイルと中性子の組成が、予測されるシンクロトロン放射の形態にどのように影響を与えるか？
• RQ5 必要なブースト因子を考慮した場合、ハージー放射の角度分布は中性子の消滅予測と整合的か？

主な発見

• ギブスCMB推定器を用いた場合、内銀河中心の50°以内で、軟らかくシンクロトロン放射のスペクトル指数に空間的変動を許容することで、残差Kバンド放射が約46%減少した。
• 地域的差を考慮したシンクロトロンスペクトル行動により、残差放射の有意性が顕著に低下した。これは、異常なダークマターではなく、従来の天体物理学的起源である可能性を示唆している。
• 観測されたハージー放射を再現するには、中性子のダークマターモデルで372（モデル1）から1701（モデル4）のブースト因子が必要であり、これは消滅率の極めて高い増幅を示している。
• 全4つの中性子モデルにおいて、ダークマター由来のシンクロトロン放射の角度依存性はデータに良好にフィットした。カイ二乗値はモデル1の値の82.1%から98.5%の範囲に収まった。
• 中性子質量に伴うブースト因子の依存性は期待通りであった：質量が小さい中性子は、m_χ⁻²に比例する高い固有の消滅率を示し、より小さなブースト因子で十分だった。
• 結果はCMB推定器の選択にほとんど依存しなかったが、ギブスマップは統計的頑健性と低い前景汚染のため、より信頼できると判断された。