[논문 리뷰] Millisecond Pulsars from Accretion Induced Collapse naturally explain the Galactic Center Gamma-ray Excess

Anuj Gautam, Roland M. Crocker외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 02.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 은하수 중심부의 O-Ne 백색왜성에서의 질량 축적에 의한 붕괴를 통해 형성된 마이크로초 펄서(MSPs)가 페르미-LAT의 감마선 데이터에서 관측된 은하수 중심 과잉(GCE)을 자연스럽게 설명한다고 제안한다. 이 모델은 또한 이러한 MSPs가 방출하는 고에너지 전자 및 양성자에 의한 동기방출이 위성 WMAP 및 플랑크에서 관측된 은하수 내부의 마이크로파 안개를 설명할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 은하수 중심부에서 관측된 설명되지 않은 감마선 과잉을 설명할 수 있는가를 조사하기 위해, O-Ne 백색왜성이 질량 축적에 의해 붕괴되어 형성된 마이크로초 펄서(MSPs)의 가능성을 탐구한다.
• 동일한 MSPs 집단이 WMAP 및 플랑크에서 관측된 경량 스펙트럼의 비열적 마이크로파 방출('안개')을 설명할 수 있는가를 평가한다.
• 자기상호소멸하는 암흑물질과 같은 다른 설명들과 비교하여, 이러한 MSP 기원의 타당성을 시험한다.
• 이진계의 인구 합성 모델을 사용하여 은하수 부근의 MSP 집단의 공간적 및 스펙트럼적 특성을 예측한다.

제안 방법

• 은하수 부근의 이진계 형성과 진화를 시뮬레이션하기 위해 이진계 인구 합성 정방향 모델을 사용한다.
• 특히 O-Ne 백색왜성이 질량 축적에 의해 붕괴되어 MSPs를 형성하는 시스템을 추적한다.
• 감마선 방출은 MSP의 자전 감쇠로 생성된 고에너지 전자 및 양성자가 낮은 에너지 광자를 역코히너스 산란함으로써 모델링된다.
• 동일한 상대론적 전자 및 양성자가 생성하는 동기방출을 계산하여 WMAP 및 플랑크의 마이크로파 관측 결과와 비교한다.
• 모델이 예측하는 공간적 및 스펙트럼적 분포를 페르미-LAT 및 마이크로파 데이터와 비교하여 일관성을 평가한다.
• 주요 매개변수로는 질량 이행률, 자기장 감쇠, MSPs에서의 전자 주입 스펙트럼이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 O-Ne 백색왜성이 질량 축적에 의해 붕괴되어 형성된 MSPs가 페르미-LAT 데이터에서 관측된 은하수 중심 과잉의 공간적 및 스펙트럼적 특성을 재현할 수 있는가?
• RQ2 이러한 MSPs가 방출하는 고에너지 입자들이 충분한 동기방출을 생성하여 은하수 내부의 경량 스펙트럼 마이크로파 안개를 설명할 수 있는가?
• RQ3 GCE와 마이크로파 안개를 동시에 설명하기 위해 필요한 조건을 충족시키기 위해 예측된 MSP 집단의 밀도와 빛의 세기와 비교해 볼 때, 그 값은 어떻게 되는가?
• RQ4 관측된 다중 파장 방출에 대해 MSP 기원이 자기상호소멸하는 암흑물질 기원보다 더 타당한 설명이 될 수 있는가?

주요 결과

• O-Ne 백색왜성이 질량 축적에 의해 붕괴되어 형성된 MSP 집단은 페르미-LAT 데이터에서 관측된 은하수 중심 과잉의 공간적 및 스펙트럼적 특성을 자연스럽게 재현한다.
• 이러한 MSPs가 방출하는 상대론적 전자 및 양성자가 생성하는 동기방출은 WMAP 및 플랑크에서 관측된 마이크로파 안개의 강도와 스펙트럼을 잘 맞춘다.
• 이 모델은 정교한 조정 없이도 감마선 및 마이크로파 방출을 동시에 설명할 수 있는 일관된 은하수 부근의 MSP 집단을 예측한다.
• 결과적으로, 동일한 물리적 특성을 가진 MSP 집단이 두 가지 다른 확산 방출을 설명할 수 있음을 시사하며, 통합된 천체물리학적 설명을 제공한다.