[論文レビュー] WMAP Microwave Emission Interpreted as Dark Matter Annihilation in the Inner Galaxy

Douglas P. Finkbeiner|ArXiv.org|Sep 2, 2004

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、WMAPが銀河の内側で観測した過剰なマイクロ波放射が、100 GeVのダークマター粒子の対消滅によって生成された超相対論的電子・陽電子対からのシンクロtron放射によって生じると提案している。推定された電子エネルギー分布は、星間光の逆スティーブンソン散乱と整合的であり、観測されたマイクロ波スペクトルと一致し、$2 \times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3\ s^{-1}}$のダークマター対消滅断面積と、銀河中心で切り詰められた$r^{-1}$型のダークマター分布と両立可能である。

ABSTRACT

Excess microwave emission observed in the inner Galaxy (inner ~1 kpc) is consistent with synchrotron emission from highly relativistic electron-positron pairs produced by dark matter particle annihilation. More conventional sources for this emission, such as free-free (thermal bremsstrahlung), thermal dust, spinning dust, and the softer Galactic synchrotron traced by low-frequency surveys, have been ruled out. The total power observed in the range 23 < nu < 61 GHz is between 10^{36} and 5x10^{36} erg/s, depending on the method of extrapolation to the Galactic center, where bright foreground emission obscures the signal. The inferred electron energy distribution is diffusion hardened, and is in qualitative agreement with the energy distribution required to explain the gamma ray excess in the inner Galaxy at 1-30 GeV as inverse-Compton scattered starlight. We investigate the possibility that this population of electrons is produced by dark matter annihilation of 100 GeV particles, with cross section =2x10^{-26} cm^3/s, and an 1/r dark matter mass profile truncated in the inner Galaxy, and find this scenario to be consistent with current data.

研究の動機と目的

• WMAPが観測した銀河中心部（23–61 GHz）における説明のつかない過剰なマイクロ波放射を説明すること。
• 自由自由放射、熱的ダスト、回転するダスト、および標準的シンクロtron放射といった従来の天体物理学的起源が、観測されたマイクロ波放射を説明できるかどうかを除外すること。
• 観測された放射が、相対論的電子・陽電子対を生成するダークマター対消滅に起因するかどうかを調査すること。
• ダークマター対消滅仮説が観測された電子エネルギースペクトルおよびマイクロ波全放射度と整合的かどうかを検証すること。
• 多波長観測データと理論的モデリングを用いて、ダークマター粒子の質量、対消滅断面積、空間的分布を制限すること。

提案手法

• 拡散、シンクロtron放射および逆スティーブンソン散乱によるエネルギー損失、空間的輸送を含むFokker-Planck方程式を用いて電子エネルギー分布をモデル化する。
• 最も単純な場合の解析解と、拡散およびエネルギー損失パラメータが変化する場合の数値解を用いる。
• 核半径$r_s = 20$ kpc、太陽系近傍での密度が$6.5 \times 10^{-25}\ \mathrm{g\ cm^{-3}}$のNFWダークマター密度プロファイルを適用する。
• マジョラナフェルミオンの対消滅を仮定し、体積当たりの消滅率を$\Gamma(r) = \left(\rho_{\text{NFW}}(r)/m_\chi\right)^2 \langle\sigma_A v\rangle$として定義する。
• 空間的拡散とエネルギー損失を考慮したグリーン関数と消滅率の畳み込みにより、エネルギーごとの電子数密度を計算する。
• 得られた電子分布を統合してマイクロ波シンクロtron放射を予測し、WMAPデータと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された銀河中心部のマイクロ波過剰放射は、ダークマター対消滅によって生成された相対論的電子からのシンクロtron放射によって説明可能か？
• RQ2 自由自由放射、熱的ダスト、回転ダスト、および標準的シンクロtron放射といった従来の天体物理学的前景放射は、観測されたマイクロ波放射を説明できるか？
• RQ3 観測されたマイクロ波全放射度およびスペクトル形状と整合的なダークマター粒子の質量と対消滅断面積は何か？
• RQ4 拡散およびエネルギー損失によって形作られる電子エネルギー分布は、星間光およびCMB光子の逆スティーブンソン散乱に必要な条件を満たしているか？
• RQ5 銀河中心部で切り詰められた$r^{-1}$型のダークマター密度プロファイルは、観測された放射および現在の制限条件と両立可能か？

主な発見

• 銀河中心部（23–61 GHz）における総マイクロ波全放射度は、銀河中心への外挿に依存して$1 \times 10^{36}$から$5 \times 10^{36}\ \mathrm{erg\ s^{-1}}$の間と推定される。
• 推定された電子エネルギー分布は拡散に起因して硬化されており、1–30 GeV範囲の観測された逆スティーブンソン散乱光子のエネルギースペクトルと一致する。
• 100 GeVのダークマター粒子質量と$\langle\sigma_A v\rangle = 2 \times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3\ s^{-1}}$の対消滅断面積は、観測されたマイクロ波放射と整合的である。
• モデルは銀河中心部で切り詰められた$r^{-1}$型のダークマター密度プロファイルを仮定しており、これは銀河中心付近でのシンクロtron放射の過剰生成を回避するのに役立つ。
• 銀河全体の総対消滅率は$4.6 \times 10^{38}\ \mathrm{s^{-1}}$と計算され、そのうち$4 \times 10^{38}\ \mathrm{s^{-1}}$がマイクロ波放射を生成する電子集団に寄与している。
• 他の銀河では強い信号が観測されないのは、放射成分を分離するための解像度が不十分であるためであり、WMAPの高精度のおかげで銀河中心部の信号が唯一解離可能であると考えられる。