[論文レビュー] Constraints on ultracompact minihalos from the extragalactic gamma-ray background observation

Xing-Fu Zhang, Ji-Gui Cheng+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 73被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、更新されたFermi-LATデータを用いて、銀河間ガンマ線背景（EGB）を分析することで、急勾配の密度プロファイルを示す仮説的な暗黒物質構造体である超小形銀河団（UCMHs）の制約を改善した。天体物理学的寄与（ブレーザー、電波銀河、星形成銀河）を完全にモデル化することで、従来の研究と比較して1〜2桁の tighter な制約を達成した一方で、既知の天体物理学的源を超える追加の成分の可能性についても探査した。

ABSTRACT

Ultracompact minihalo (UCMH) is a special type of dark matter halo with a very steep density profile which may form in the early universe seeded by an overdense region or a primordial black hole. Constraints on its abundance give valuable information on the power spectrum of primordial perturbation. In this work, we update the constraints on the UCMH abundance in the universe using the extragalactic gamma-ray background (EGB) observation. Comparing to previous works, we adopt the updated Fermi-LAT EGB measurement and derive constraints based on a full consideration of the astrophysical contributions. With these improvements, we place constraints on UCMH abundance 1-2 orders of magnitude better than previous results. With the background components considered, we can also attempt to search for possible additional components beyond the known astrophysical contributions.

研究の動機と目的

• 宇宙における超小形銀河団（UCMHs）の豊度に関する制約を、銀河間ガンマ線背景（EGB）を用いて改善すること。
• 従来の包括的スペクトルに依存するのではなく、ブレーザー、電波銀河、星形成銀河の完全な天体物理学的寄与を組み込むことで、以前の制約を精緻化すること。
• DAMPEが観測した1.4 TeV電子・陽電子過剰とUCMHsの整合性を評価すること。
• 既知の天体物理学的源を超えるEGBにおける追加のガンマ線成分の可能性を調査すること。

提案手法

• スペクトル指数 γ = 2.28 ± 0.01、カットオフエネルギー Ecut = 267 ± 37 GeV を有する最新のFermi-LAT EGB測定（モデルB）を用いる。
• 自己相似的・半径方向の降着崩壊を用いて、1つのUCMHからの予想されるガンマ線フラックスをモデル化し、密度プロファイル ρ ∝ r−9/4 とし、赤方偏移に依存する半径 Ru(z) で切断する。
• 赤方偏移依存の質量関数と赤方偏移の進化を統合することで、すべてのUCMHからの総ガンマ線フラックスを計算する。
• ブレーザー、RGs、SFGs の既知の天体物理学的寄与を、発光関数と相関データを用いてモデル化し、EGBスペクトルを正確に再現する。
• 全予測EGBスペクトル（天体物理学的寄与 + UCMH寄与）を観測されたFermi-LATデータと比較する尤度解析を実施し、UCMHの豊度を制約する。
• 得られた制約を、WIMP-PBH混合暗黒物質モデルおよび天体物理学的ブラックホール周囲のミニスパイクに適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新のEGB観測を踏まえた場合、宇宙における超小形銀河団（UCMHs）の豊度に関する最もきつい制約は何か？
• RQ2 包括的スペクトルに依存するのではなく、EGBへの完全な天体物理学的寄与を組み込むことで、UCMHの豊度に関する制約はどのように変化するか？
• RQ3 UCMHモデルはDAMPE衛星が観測した1.4 TeV電子・陽電子過剰を説明できるか？
• RQ4 EGBに既知の天体物理学的源を超える追加のガンマ線成分の証拠があるか？そして、それがUCMHsに起因する可能性はあるか？

主な発見

• 本研究では、EGBへの完全な天体物理学的寄与を組み込むことで、従来の研究と比較して1〜2桁の tighter な制約をUCMHの豊度について達成した。
• ブレーザー、電波銀河、星形成銀河の完全なモデリングにより、包括的スペクトルに依存する以前の研究と比較して、より現実的で保守的でない制約が得られた。
• 得られたUCMHの豊度制約は、WIMP-PBH混合暗黒物質モデルに直接適用可能であり、原始ブラックホール（PBH）の豊度に関する間接的制約が得られた。
• 現在の感度範囲内で、EGBに既知の天体物理学的源を超える追加のガンマ線成分の顕著な証拠は見出されなかった。
• 改善された制約のもとで、UCMHモデルはDAMPEが観測した1.4 TeV電子・陽電子過剰と整合しないことが判明し、この解釈は有効な説明とはなり得ないことが排除された。
• 本研究の結果は、原始宇宙における相転移（QCD、電弱、e+e−）によって生成されるUCMH形成に起因する、小スケールにおける原始パワースペクトルのよりきつい境界を提供した。