[論文レビュー] Two Emission Mechanisms in the Fermi Bubbles: A Possible Signal of Annihilating Dark Matter

Dan Hooper, Tracy R. Slatyer|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、低赤緯度のフェルミバブルが、宇宙線電子による逆コンプトン散乱とは整合しない1–4 GeVでピークを示す特徴的なガンマ線スペクトル特徴を示すと提案しており、これは第二の放射メカニズムに起因するとされる。この成分はスペクトル的および空間的に、10 GeVのダークマター散乱によるレプトン生成、または50 GeVのクォーク生成と一致し、NFWよりも急な分布を示しており、拡張された銀河中心過剰の有力なダークマター解釈を提供する。

ABSTRACT

We study the variation of the spectrum of the Fermi Bubbles with Galactic latitude. Far from the Galactic plane (|b| > 30 degrees), the observed gamma-ray emission is nearly invariant with latitude, and is consistent with arising from inverse Compton scattering of the interstellar radiation field by cosmic-ray electrons with an approximately power-law spectrum. The same electrons in the presence of microgauss-scale magnetic fields can also generate the the observed microwave "haze". At lower latitudes (b < 20 degrees), in contrast, the spectrum of the emission correlated with the Bubbles possesses a pronounced spectral feature peaking at 1-4 GeV (in E^2 dN/dE) which cannot be generated by any realistic spectrum of electrons. Instead, we conclude that a second (non-inverse-Compton) emission mechanism must be responsible for the bulk of the low-energy, low-latitude emission. This second component is spectrally similar to the excess GeV emission previously reported from the Galactic Center (GC), and also appears spatially consistent with a luminosity per volume falling approximately as r^-2.4, where r is the distance from the GC. We argue that the spectral feature visible in the low-latitude Bubbles is the extended counterpart of the GC excess, now detected out to at least 2-3 kpc from the GC. The spectrum and angular distribution of the signal is consistent with that predicted from ~10 GeV dark matter particles annihilating to leptons, or from ~50 GeV dark matter particles annihilating to quarks, following a distribution similar to the canonical Navarro-Frenk-White (NFW) profile. We also consider millisecond pulsars as a possible astrophysical explanation for the signal, as observed millisecond pulsars possess a spectral cutoff at approximately the required energy. Any such scenario would require a large population of unresolved millisecond pulsars extending at least 2-3 kpc from the GC.

研究の動機と目的

• フェルミバブルのスペクトル変化を銀河赤緯度に応じて調査し、標準的な逆コンプトン放射からの逸脱を特定すること。
• 低赤緯度における観測されたガンマ線スペクトルが、単一の電子集団によって説明可能かどうかを特定すること。
• 1–4 GeVにおける低エネルギースペクトル特徴が、特に銀河中心過剰と比較してダークマター散乱と整合するかどうかをテストすること。
• 未解決のミリ秒パulsarなどの代替的天体物理学的説明を評価し、その妥当性を検討すること。

提案手法

• 銀河赤緯度 |b| > 30° および |b| < 20° の範囲で、フェルミ-LATデータの非等方的スペクトル解析を実施。
• 累乗法則に従う電子集団（dNe/dE ∝ E−3）が星間放射場と相互作用することで生じる逆コンプトン散乱のモデル化。
• マイクロガウススケールの磁場下で、同じ電子集団が生成するシンクロtron放射の推定を行い、マイクロ波ハースと一致させる。
• 逆コンプトンを超える成分を仮定し、ダークマター散乱起源とし、特定の最終状態と質量をもって低赤緯度ガンマ線スペクトルにフィット。
• 空間的形態（体積当たりの全光度 ∝ r−2.4）をNFWおよびそれ以上の急勾配プロファイルと比較し、ダークマター分布との整合性を評価。
• ミリ秒パルサーのシナリオを評価するため、銀河中心から2–3 kpcにわたり、密な未解像化パルサー集団が必要であると仮定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高赤緯度（|b| > 30°）におけるほぼ平坦で硬いスペクトルのガンマ線放射は、単一の電子集団による逆コンプトン散乱で説明可能か？
• RQ2 低赤緯度（|b| < 20°）における1–4 GeVで顕著なピークを示すガンマ線スペクトルは、なぜ逆コンプトン過程では説明できないのか？
• RQ3 低赤緯度放射のスペクトル的および空間的形態は、特に銀河中心過剰の拡張型対応とダークマター散乱と整合するか？
• RQ4 ミリ秒パルサーが観測された信号を生成可能か？その場合、何らかのパルサー密度が要求されるか？
• RQ5 観測された全光度プロファイル（r−2.4）は、NFWのような理論的ダークマタープロファイルとどのように比較されるか？

主な発見

• 高赤緯度フェルミバブル（|b| > 30°）は、ほぼ一定で平坦なガンマ線スペクトルを示しており、これは累乗法則に従う電子集団（dNe/dE ∝ E−3）による逆コンプトン散乱と整合する。
• 同じ電子集団がマイクロガウススケールの磁場下に存在する場合、自然に観測されたマイクロ波ハースと一致するシンクロtron放射を生成し、共通の起源を支持する。
• 低赤緯度（|b| < 20°）では、E²dN/dEで1–4 GeVにピークを示す明確なスペクトル特徴が観測されるが、これは逆コンプトン散乱では説明できず、第二の放射メカニズムを示唆する。
• 低赤緯度信号は、体積当たりの全光度がr−2.4に従って減少する空間的分布と整合しており、拡張された銀河中心過剰と一致し、共通の起源を示唆する。
• スペクトルおよび形態は、10 GeVのダークマター粒子がレプトンへ散乱する、または50 GeVの粒子がクォークへ散乱するモデルと広く整合し、標準的なNFWプロファイルよりも急な分布を示す。
• ミリ秒パルサー説では、銀河中心から少なくとも2–3 kpcにわたり、現実的ではないほど密度の高い未解像化パルサー集団が必要となる。