[論文レビュー] Discriminating and Constraining the Synchrotron and Inverse Compton Radiations from Primordial Black Hole and Dark Matter at the Galactic Centre Region

Upala Mukhopadhyay, Debasish Majumdar+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、銀河中心における原始的ブラックホール（PBH）の蒸発およびダークマター（DM）の対消滅／崩壊によって生成される電子・陽電子対からのシンクロトロン放射および逆コンプトン（IC）放射を調査する。単色、パワーロー、対数正規分布のPBH質量関数を用い、放射の全放射度を計算し、電波望遠鏡の観測データと比較する。その結果、シンクロトロンおよびIC信号は、PBHの割合（最大10⁻²）およびDMの対消滅／崩壊率を制限でき、距離依存の放射度変化がPBH／DM質量の特定に寄与することが示された。

ABSTRACT

The evaporations of Primordial Black Holes (PBH) (via Hawking radiation) can produce electrons/positrons ($e^-/e^+$) in the Galactic Centre (GC) region which under the influence of the magnetic field of Centre region can emit synchrotron radiation. These $e^-/e^+$ can also induce Inverse Compton radiation due to the scattering with ambient photons. In this work three different PBH mass distributions namely, monochromatic, power law and lognormal distributions are considered to calculate such radiation fluxes. On the other hand, annihilation or decay of dark matter in the Galactic Centre region can also yield $e^-/e^+$ as the end product which again may emit synchrotron radiation in the Galactic magnetic field and also induce Inverse Compton scattering. In this work a comparative study is made for these radiation fluxes from both PBH evaporations and from dark matter origins and their detectabilities are addressed in various ongoing and other telescopes as well as in upcoming telescopes such as SKA. Moreover, constraints on the model parameters are obtained from these experimental predictions. The variations of these radiation fluxes with the distance from the Galactic Centre are also computed and it is found that such variations could be a useful probe to determine the mass of PBH or the mass of dark matter.

研究の動機と目的

• 銀河中心における原始的ブラックホール（PBH）の蒸発およびダークマター（DM）の対消滅／崩壊によって生成される電子・陽電子対からのシンクロトロン放射および逆コンプトン放射をモデル化すること。
• 単色、パワーロー、対数正規分布のPBH質量関数と、電子・陽電子エネルギー範囲（MeVおよびGeV）の違いを考慮した放射度を比較すること。
• 既存および将来の電波望遠鏡（SKAを含む）を用いた信号の検出可能性を評価すること。
• 観測された放射度との比較から、ダークマター中のPBH割合、DMの対消滅／崩壊断面積、PBH質量関数に対する制約を導出すること。

提案手法

• PBHの蒸発およびDMの対消滅／崩壊によって生成される高エネルギー（GeV）および低エネルギー（MeV）の電子・陽電子対からのシンクロトロン放射および逆コンプトン放射の全放射度を計算する。
• 銀河中心の磁場および光子場環境下で、単色、パワーロー、対数正規分布の3種類のPBH質量関数を用いる。
• 標準的なシンクロトロンおよび逆コンプトン放射の式を適用し、銀河中心における電子エネルギー、磁場強度、光子密度を組み込む。
• VLA、GMRT、MeerKATによる1.5–10¹⁰ MHzの観測放射度密度と計算された放射度を比較し、SKAの100時間および1000時間の観測時間での感度を推定する。
• シンクロトロン放射度の半径依存性を分析し、PBHおよびDM質量の特定に寄与する。
• 変動性分析を実施：PBH／DMプロセスからの放射は一定であるのに対し、Sgr A*の放射は時間的に変動するため、これにより源の識別が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心におけるSgr A*などの天体的源とは区別できるか？
• RQ2 異なる質量関数および電子・陽電子エネルギー範囲におけるPBHおよびダークマターからの放射度はどのように比較されるか？
• RQ3 現在および将来の電波望遠鏡データを用いて、ダークマター中のPBH割合およびDM対消滅／崩壊断面積にどのような制約を課すことができるか？
• RQ4 銀河中心からの距離に応じたシンクロトロン放射度の変化は、PBHまたはダークマター粒子の質量を特定する手がかりとなるか？
• RQ5 PBH／DM信号の時間的変動特性はSgr A*とはどのように異なり、源の分離に寄与するか？

主な発見

• 高エネルギー電子・陽電子（E ~ 0.1 GeV）の場合、シンクロトロン放射は約338 MHzでピークを示し、逆コンプトン放射は紫外〜X線帯域に広がる。
• 低エネルギー電子・陽電子（E ~ 2 MeV）の場合、シンクロトロン放射は約0.1 MHzでピークを示し、逆コンプトン放射は約10⁵ MHzでピークを示す。
• PBHからのシンクロトロン放射度密度は、質量関数に応じてO(10⁻⁵) JyからO(1) Jyの範囲をとる。対数正規分布および単色分布では、PBHの割合が最大10⁻²まで許容される。
• パワーローPBH質量関数では、PBHの割合は約10⁻⁴に制限される。
• DM対消滅断面積は、DM質量が1–100 GeVの範囲で10⁻²⁹–10⁻²⁵ cm³s⁻¹に制限され、崩壊率は10⁻²⁶–10⁻²⁴ s⁻¹に制限される。
• 銀河中心からの距離に応じたシンクロトロン放射度の変化は、PBHまたはDM質量の推定に寄与する可能性があり、モデル間の区別に有効な判別子として機能する。