[論文レビュー] Millisecond Pulsars from Accretion Induced Collapse naturally explain the Galactic Center Gamma-ray Excess

Anuj Gautam, Roland M. Crocker+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、銀河中心付近のO-Ne白色矮星が降着によって崩壊する過程で形成されたミリ秒パulsar（MSPs）が、Fermi-LATのガンマ線データにおける銀河中心過剰（GCE）を自然に説明すると提案している。さらに、これらのMSPsが放出する高エネルギー電子・陽電子によるシンクロtron放射が、WMAPおよびPlanckが観測した銀河中心付近のマイクロ波ハースの特徴を説明できると示している。

ABSTRACT

Gamma-ray data from the Fermi-Large Area Telescope reveal an unexplained, apparently diffuse, signal from the bulge. The origin of this Galactic Center Excess (GCE) has been debated with proposed sources prominently including self-annihilating dark matter and a hitherto undetected population of millisecond pulsars (MSPs). We use a binary population synthesis forward model to demonstrate that an MSP population arising from the accretion induced collapse of O-Ne white dwarfs in bulge binaries can naturally explain the GCE. Synchrotron emission from MSP-launched cosmic ray electrons and positrons seems also to explain the mysterious haze of hard-spectrum, non-thermal microwave emission from the inner Galaxy detected in WMAP and Planck data.

研究の動機と目的

• O-Ne白色矮星が降着によって崩壊する過程で形成されたミリ秒パulsar（MSPs）が、銀河中心における未解明のガンマ線過剰を説明できるかどうかを調査すること。
• 同じMSP集団が、WMAPおよびPlanckが検出した硬スペクトルの非熱的マイクロ波放射（「ハース」）を説明できるかどうかを評価すること。
• 自己散乱するダークマターといった代替説明と比較して、このMSP起源の妥当性を検証すること。
• 二重星の進化シミュレーションモデルを用いて、銀河バルジにおけるMSP集団の空間的およびスペクトル的性質を予測すること。

提案手法

• 銀河バルジにおける二重星系の形成と進化を再現するため、二重星集団合成の前向きモデルを用いる。
• 特に、O-Ne白色矮星が降着によって崩壊してMSPを形成する系を特定的に追跡する。
• ガンマ線放射は、MSPの回転減速によって生成される高エネルギー電子・陽電子が低エネルギー光子を逆コンプトン散乱することでモデル化される。
• 同じ相対論的電子・陽電子が発生するシンクロtron放射を計算し、WMAPおよびPlanckのマイクロ波観測と比較する。
• モデルが予測する空間的およびスペクトル的分布をFermi-LATおよびマイクロ波データと照合し、整合性を評価する。
• 主なパラメータには、質量移動率、磁場の減衰、MSPからの電子注入スペクトルが含まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O-Ne白色矮星が降着誘発的崩壊によって形成されたMSPsが、Fermi-LATデータにおける銀河中心過剰の空間的およびスペクトル的プロファイルを再現できるか？
• RQ2 これらのMSPsが生成する宇宙線が、銀河中心部における硬スペクトルのマイクロ波ハースを説明するのに十分なシンクロtron放射を発生させるか？
• RQ3 GCEおよびマイクロ波ハースを説明するために必要な条件を満たすために、予測されるMSP集団の密度および放射度は、どのように比較されるか？
• RQ4 観測された多波長放射を説明する観点から、MSP起源が自己散乱するダークマター説よりもより妥当な説明であるか？

主な発見

• O-Ne白色矮星が降着誘発的崩壊によって形成されたMSP集団は、Fermi-LATデータにおける観測された銀河中心過剰の空間的およびスペクトル的特性を自然に再現する。
• これらのMSPsが放出する相対論的電子・陽電子によるシンクロtron放射は、WMAPおよびPlanckが観測したマイクロ波ハースの強度およびスペクトルと一致する。
• モデルは、調整を必要とせず、銀河バルジに一貫性のあるMSP集団を予測しており、ガンマ線およびマイクロ波放射の両方を同時に説明可能である。
• 結果から、同じ物理的性質を持つMSP集団が、二つの異なる拡散放射を統一的に説明できる可能性が示唆される。