[論文レビュー] Radio observations of the Galactic Centre and the Coma cluster as a probe of light dark matter self-annihilations and decay

Céline Bœhm, Joseph Silk+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、銀河中心およびコマ銀河団における電波シンクロtron放射を用いて、10 GeV未満のダークマター候補に対する制約を更新している。散乱によるダークマターが電子・陽電子最終状態にS波抑制を受ける必要があることが示され、過剰な電波放射を避けるためである。一方、崩壊するダークマターは寿命が3×10²⁵ s以上でなければならない。したがって、電波観測は軽いダークマターモデルにきわめて重要な天体物理学的制約をもたらす。

ABSTRACT

We update our earlier calculations of gamma ray and radio observational constraints on annihilations of dark matter particles lighter than 10 GeV. We predict the synchrotron spectrum as well as the morphology of the radio emission associated with light decaying and annihilating dark matter candidates in both the Coma cluster and the Galactic Centre. Our new results basically confirm our previous findings: synchrotron emission in the very inner part of the Milky Way constrains or even excludes dark matter candidates if the magnetic field is larger than 50 micro Gauss. In fact, our results suggest that light annihilating candidates must have a S-wave suppressed pair annihilation cross section into electrons (or the branching ratio into electron positron must be small). If dark matter is decaying, it must have a life time that is larger than t = 3. 10^{25} s. Therefore, radio emission should always be considered when one proposes a "light" dark matter candidate.

研究の動機と目的

• 更新された電波放射予測を用いて、軽いダークマター（1–10 GeV）に対する天体物理学的制約を再評価すること。
• ダークマターの散乱または崩壊によって生成される電子・陽電子対が引き起こす電波シンクロtron放射が、現在の直接検出信号を説明するか、あるいは除外する可能性があるかどうかを評価すること。
• 銀河中心およびコマ銀河団における軽いダークマターがもたらすと予想される電波放射の形態およびスペクトル形状を特定すること。
• 磁場強度および電子の伝播が、ダークマターによって誘発されるシンクロtron放射の検出可能性に与える影響を検討すること。
• 特にガンマ線およびCMBの制約を満たす場合に、電波制約が実現可能な軽いダークマターモデルにとって不可欠であることを確立すること。

提案手法

• 5および10 GeVの電子・陽電子最終状態へのダークマター散乱および崩壊に起因する電子および陽電子の注入スペクトルをモデル化する。
• 空間的に変化する磁場（銀河中心部で50–100 μGを含む）と電子エネルギー分布を用いて、シンクロtron放射スペクトルを計算する。
• 銀河ハロー内でのエネルギー損失（シンクロtronおよび逆コンプトン）と空間的拡산を考慮した電子伝播をシミュレートする。
• 銀河平面およびコマ銀河団領域におけるシンクロtron発光度の2次元マップを用いて、電波放射の形態を計算する。
• 予測された電波フラックスを観測限界および背景レベルと比較し、除外制約を導出する。
• 標準的なシンクロtron発光度公式を用いる：ɛ_ν ∝ ∫ n_e(E) D(E, ν) dE、ここでD(E, ν)は放射損失関数である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心およびコマ銀河団における軽いダークマター（1–10 GeV）の電波シンクロtron放射は、ガンマ線またはCMB観測よりも強い制約を提供できるか？
• RQ2 低周波数において、崩壊するダークマターと散乱するダークマターの両者におけるシンクロtron放射の形態にはどのような違いがあるか？
• RQ3 銀河中心部で、ダークマターに起因する電波放射を検出可能または除外可能とするために必要な磁場強度はどの程度か？
• RQ4 特にシンクロtronおよび逆コンプトンによる電子エネルギー損失が、軽いダークマターに起因する電波信号をどの程度抑制するか？
• RQ5 電波観測と整合的であるためには、ダークマター散乱が電子・陽電子状態にS波抑制を受ける必要がある条件は何か（例：S波抑制）？

主な発見

• 10 GeVの質量を持つ散乱するダークマターが、3×10⁻²⁶ cm³s⁻¹の対散乱断面積を持つ場合、磁場が50 μGを超えると、銀河中心部の電波放射が支配的になる。
• 散乱するダークマターでは、電子のエネルギー損失が顕著であるため、電波放射は非常に銀河中心部に限定され、中央部でのみ検出可能となる。
• 崩壊するダークマターでは、電波放射は広がりがあり、楕円形の形態を示し、より大きな銀経度および銀緯度にまで広がるため、前景放射と区別可能である可能性がある。
• 100 μGの磁場では、散乱するダークマターのシンクロtron放射は銀河中心部に強く集中するが、崩壊するダークマターは広がりのある、拡張した信号を生成する。
• 散乱するダークマター候補は、特に磁場が50 μGを超える場合に、過剰な電波放射を避けるために電子・陽電子状態へのS波抑制を受ける必要がある。
• 崩壊するダークマターは、電波制約と整合的であるためには、寿命が3×10²⁵ sより長くなければならない。それ以下の寿命では、過剰なシンクロtron放射が生成される。