[論文レビュー] Young Pulsars and the Galactic Center GeV Gamma-ray Excess

Ryan M. O’Leary, Matthew D. Kistler+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 42

ひとこと要約

本稿では、銀河中心の高密度分子領域で発生するコアコラプス超新星に起因する若年性のガンマ線パルサーが、スペクトル、空間的分布、放射度の観点から観測されたGeV帯ガンマ線過剰を自然に再現できることを提案している。パルサーの形成時のキック速度が対称的かつ銀河中心を基準とする集団を形成するのと、年齢とともにスペクトルが硬くなることの組み合わせにより、特に天の赤道に近い場所にいる軟スペクトルの若年パルサーが遮蔽される一方で、高緯度に位置する硬スペクトルの高齢パルサーが観測信号と一致するため、ダークマター説よりも優れた説明が可能である。

ABSTRACT

Studies of Fermi data indicate an excess of GeV gamma rays around the Galactic center (GC), possibly due to dark matter. We show that young gamma-ray pulsars can yield a similar signal. First, a high concentration of GC supernovae naturally leads to a population of kicked pulsars symmetric about the GC. Second, while very-young pulsars with soft spectra reside near the Galactic plane, pulsars with spectra that have hardened with age accumulate at larger angles. This combination, including unresolved foreground pulsars, traces the morphology and spectrum of the Excess.

研究の動機と目的

• 銀河中心の星形成領域から発生する若年パルサーが、観測されたGeV帯ガンマ線過剰を再現できるかどうかを調査すること。
• 特に高緯度で硬スペクトルを示す若年・高スピンダウンパワーを持つパルサーが、拡散ガンマ線放射度に与える寄与を評価すること。
• 特に1000年以上の年齢を持つパルサー集団が、ダークマターを仮定せずに過剰の形態とスペクトルを再現できるかどうかを評価すること。
• 特に銀河平面をはるかに超えた領域（|b| > 2°）に位置する未解像化パルサーが、銀河中心領域の過剰に与える寄与を定量化すること。
• パルサーのスペクトル進化を観測された過剰と比較し、スピンダウンパワー（\dot{E}）の低下に伴うスペクトルの硬化に注目すること。

提案手法

• 中心分子領域（CMZ）における超新星残骸を用いて、パルサーの空間的分布をモデル化し、形成時のキック速度によって対称的かつ銀河中心を基準とする集団が形成されることを仮定する。
• 観測されたパルサーのスペクトル進化を用いる：ガンマ線全放射度 $L_\gamma \propto \dot{E}^{1/2}$ であり、$\dot{E}$ が小さい領域では $L_\gamma / \dot{E}$ の効率が上昇し、結果として高齢パルサーではスペクトルが硬くなる。
• 過剰が最も顕著な領域（銀河中心から5°以内、|b| > 2°）に注目し、高緯度で硬スペクトルを示すパルサーに焦点を当てる。
• これらのパルサーの放射度加重平均スペクトルを、観測された過剰と比較し、$b\bar{b}$ への崩壊を想定した35 GeVのダークマター粒子の崩壊モデルと比較する。スペクトルテンプレートとしてゲミングァを用いる。
• 銀河中心から15°以内の領域で全銀河的星形成の約15%を占める未解像化ディスクパルサーが、過剰に寄与していることを考慮する。
• 観測されたパルサー分布に適合するように最適化された代表的パrameterを用いた簡略化されたパルサー進化モデルを用いるが、磁場、キック速度、超新星発生率に関する不確実性には言及する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河中心の中心分子領域から発生する若年パルサーは、GeV帯ガンマ線過剰の空間的・スペクトル的形態を再現できるか？
• RQ2 年齢とともにスペクトルが硬くなることは、高緯度における高齢パルサーの拡散ガンマ線放射度への寄与にどのように影響するか？
• RQ3 銀河ディスクおよび銀河中心領域から発生する未解像化の高緯度パルサーは、観測された過剰にどの程度寄与しているか？
• RQ4 ゲミングァに類似したパルサーのスペクトルと類似していることから、ダークマターを仮定せずに観測された過剰を説明できるか？
• RQ5 過剰のうち、どの程度の割合が若年パルサーに起因するか？また、これはダークマター粒子の崩壊モデルの予測と比較してどうなるか？

主な発見

• 銀河中心の中心分子領域から発生する若年パルサーは、形成時のキック速度のおかげで、対称的かつ銀河中心を基準とする集団を形成し、自然にGeV帯ガンマ線過剰の形態を再現する。
• ゲミングァに類似した $\dot{E} \approx 10^{34.5}\,$ erg s$^{-1}$ のパルサーは、特に1–3 GeVのエネルギー領域で硬スペクトルを示し、観測された過剰のピークとよく一致する。
• 銀河平面をはるかに超えた領域（|b| > 2°）に位置し、銀河中心から5°以内のパルサーの放射度加重平均スペクトルは、観測された過剰スペクトルと一致しており、特に1–3 GeVのエネルギー領域で顕著である。
• 銀河中心から15°以内の領域で全銀河的星形成の約15%を占める未解像化ディスクパルサーも、特に高緯度で顕著な寄与を示しており、過剰に寄与している。
• モデルは、若年パルサーが過剰の大部分を占めている可能性を示唆しており、30–60 GeVのダークマター粒子を仮定する必要性を揺るがすものである。
• 本研究は、現在のモデルが $\gtrsim 10\,$ GeVのパルサー放射を指数的カットオフの仮定によって低く見積もっている可能性があると指摘しており、より洗練されたスペクトルモデリングの必要性を示唆している。