[論文レビュー] Dark matter subhalos as Fermi gamma-ray sources and first candidates in the 1FGL catalog

H.-S. Zechlin, M. V. Fernandes+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2011

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、銀河系内のダークマター準銀河がWIMPの自己散乱によって検出可能なガンマ線を放出する可能性を提案している。その中で1FGL J0030.7+0724という候補が、ダークマター準銀河と整合する特徴を示している。Fermi-LAT 1FGLデータとSwift XRTの追従観測により、この源は非可変な放射度と中程度の空間的広がりを示しているが、同時に高エネルギーピークを持つブレーザーとも一致しており、起源は曖昧のままである。

ABSTRACT

Predicted by hierarchical structure formation, Milky Way-type galaxies are anticipated to host numerous dark matter subhalos with masses between 10^{10} and a cut-off of 10^{-6} solar masses, or even less. In self-annihilating dark matter scenarios, these objects could be visible in the gamma-ray band as faint and non-variable sources without astrophysical counterpart. In accordance with realistic subhalo models and current observational constraints on self-annihilating dark matter, we predict that about one massive Galactic subhalo may have already been detected in the 11-months catalog of Fermi-LAT data (1FGL). Selection cuts applied to the 1FGL reveal twelve possible candidates, and in-depth studies of the most promising object, 1FGL J0030.7+0724, are presented. In a dedicated X-ray follow-up observation with the Swift XRT, seven point-like X-ray sources have been discovered. Within the positional uncertainty derived from the 24-months Fermi-LAT data, we consider the unidentified radio source NVSS J003119+072456, coinciding with one of the discovered Swift sources, as the most promising counterpart candidate for 1FGL J0030.7+0724. The broad-band spectral energy distribution is consistent with a high-energy-peaked blazar. However, flux and extent of the Fermi source may also be compatible with a dark matter subhalo. A discrimination between the two scenarios requires further multi-wavelength observations. Strategies for identifying gamma-ray sources associated with self-annihilating DM subhalos are discussed.

研究の動機と目的

• フェルミ-LAT 11か月調査におけるWIMP自己散乱によるガンマ線放射を通じて、ダークマター準銀河の検出可能性を評価すること。
• 天体物理学的および統計的基準を用いて、1FGLカタログ内の潜在的ダークマター準銀河候補を同定および特徴付けること。
• 1FGL J0030.7+0724がダークマター準銀河である可能性を、ガンマ線、X線、電波特性を既知の天体源と比較することで検証すること。
• 多波長解析を通じて、最も有望な候補に対してダークマター起源とブレーザー起源の妥当性を評価すること。

提案手法

• ナヴァロ＝フレンク＝ホワイト（NFW）密度プロファイルと、熱平均断面積 ⟨σv⟩_eff およびWIMP質量 m_χ を含む自己散乱率式を用いて、準銀河のガンマ線放射をモデル化すること。
• 1FGLカタログに対して選別カットを適用し、既知の対応体のない非可変的で明るさが弱く、空間的に広がったガンマ線源に焦点を当て、12の候補源を同定すること。
• 非可変性を時間的におよそ評価するため、アンビンド型コルモゴロフ＝スミルノフ検定を実施し、1FGL J0030.7+0724の放射度が一定であることを支持する。
• 点源仮説と拡大源仮説を比較するための尤度比検定を実施し、最良適合の角広がりが θ_s = 0.14° で、95%信頼区間上限が ≤ 0.72° であることが得られた。
• Swift-XRTによる追従観測を実施し、X線対応体を検出。その結果、領域内に7つの新しいX線源が発見された。
• 電波・X線・ガンマ線データの広帯域スペクトルエネルギー分布（SED）を、高エネルギーピークを持つブレーザー（HBL）モデルおよびダークマター準銀河モデルと比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己散乱するダークマター準銀河は、フェルミ-LAT 1FGLカタログにおいて検出可能なガンマ線信号を生成できるか？
• RQ2 ブレーザーのような通常の天体的源とはどのように区別できるか？その観測的特徴は何か？
• RQ3 放射度、広がり、多波長特性を踏まえると、候補源1FGL J0030.7+0724はダークマター準銀河起源と整合的か？
• RQ4 可変性および位置精度の高さが、1FGL J0030.7+0724におけるダークマター準銀河とブレーザーの区別にどの程度寄与するか？
• RQ5 1FGL J0030.7+0724のX線および電波対応体は、ガンマ線放射の物理的起源をどの程度制限するか？

主な発見

• 1FGLカタログ内に12の潜在的ダークマター準銀河候補が同定され、その中で1FGL J0030.7+0724が非可変な放射度と中程度の空間的広がりを示すため、最も有望な候補である。
• ガンマ線源1FGL J0030.7+0724には顕著な可変性が認められず、コルモゴロフ＝スミルノフ検定により、50%の確率で一定な放射度であると確認された。
• この源の角広がりは θ_s = 0.14°^{+0.20}_{-0.12}° であり、拡大源としての整合性は保たれているが、点源とは顕著に異なるとは言えない。95%信頼区間上限は 0.72° である。
• Swift-XRT観測により7つの新しいX線源が発見され、そのうちSWIFT J003119.8+072454は、電波源NVSS J003119+072456および光学対応体SDSS J003119.71+072453.5と空間的に一致した。
• 電波・X線・ガンマ線の広帯域SEDは、赤方偏移 z = 0.39 ± 0.03 の高エネルギーピークを持つブレーザーと整合的であるが、同時に距離1.7–2.4 kpc、質量 10^6–10^8 M_⊙ のダークマター準銀河とも両立可能である。
• 150 GeV のWIMPが τ⁺τ⁻ に自己散乱する場合、放射度を説明するには3–13のブースト因子が必要であり、これは準銀河の濃度に依存する。このことから、準準構造やより鋭い核密度プロファイルが、必要なブーストを低減する可能性がある。