[논문 리뷰] Discriminating and Constraining the Synchrotron and Inverse Compton Radiations from Primordial Black Hole and Dark Matter at the Galactic Centre Region

Upala Mukhopadhyay, Debasish Majumdar외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 30.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 은하수 중심부에서 원시 블랙홀(PBH) 증발과 암흑물질(DM) 융합/붕괴에 의해 생성된 전자-양전자 쌍으로부터 발생하는 동기방출 및 역컴프턴(IC) 복사에 대해 조사한다. 단색, 비율법, 로그노멀 PBH 질량 분포를 사용하여 복사 밀도를 계산하고, 라디오 천체망원경 데이터와 비교하여, 동기방출 및 IC 신호가 PBH 비율(최대 10⁻²)과 DM 융합/붕괴 비율을 제약할 수 있음을 밝혀낸다. 거리에 따른 복사 밀도 변화는 PBH/DM 질량 결정에 대한 탐사 수 Mittel을 제공한다.

ABSTRACT

The evaporations of Primordial Black Holes (PBH) (via Hawking radiation) can produce electrons/positrons ($e^-/e^+$) in the Galactic Centre (GC) region which under the influence of the magnetic field of Centre region can emit synchrotron radiation. These $e^-/e^+$ can also induce Inverse Compton radiation due to the scattering with ambient photons. In this work three different PBH mass distributions namely, monochromatic, power law and lognormal distributions are considered to calculate such radiation fluxes. On the other hand, annihilation or decay of dark matter in the Galactic Centre region can also yield $e^-/e^+$ as the end product which again may emit synchrotron radiation in the Galactic magnetic field and also induce Inverse Compton scattering. In this work a comparative study is made for these radiation fluxes from both PBH evaporations and from dark matter origins and their detectabilities are addressed in various ongoing and other telescopes as well as in upcoming telescopes such as SKA. Moreover, constraints on the model parameters are obtained from these experimental predictions. The variations of these radiation fluxes with the distance from the Galactic Centre are also computed and it is found that such variations could be a useful probe to determine the mass of PBH or the mass of dark matter.

연구 동기 및 목표

• 은하수 중심부에서 원시 블랙홀(PBH) 증발과 암흑물질(DM) 융합/붕괴에 의해 생성된 전자-양전자 쌍으로부터 발생하는 동기방출 및 역컴프턴 복사 모델링.
• 다양한 질량 분포(단색, 비율법, 로그노멀)와 전자-양전자 에너지 범위(MeV 및 GeV)에서 PBH와 암흑물질의 복사 밀도 비교.
• 기존 및 향후 라디오 천체망원경(예: SKA 포함)을 활용한 이러한 신호의 탐지 가능성 평가.
• 관측된 복사 밀도 비교를 통해 PBH가 암흑물질에 차지하는 비율, DM 융합/붕괴 단면적, PBH 질량 함수에 대한 제약 도출.

제안 방법

• PBH 증발과 DM 융합/붕괴에 의해 생성된 고에너지(GeV) 및 저에너지(MeV) 전자-양전자 쌍으로부터 발생하는 동기방출 및 역컴프턴 복사 밀도 계산.
• 은하수 중심부 자기장 및 광자장 환경 내에서 단색, 비율법, 로그노멀의 세 가지 PBH 질량 분포 사용.
• 표준 동기방출 및 역컴프턴 복사 방정식 적용. 전자 에너지, 자기장 강도, 은하수 중심부 광자 밀도 포함.
• VLA, GMRT, MeerKAT에서 1.5–10¹⁰ MHz 범위로 관측된 복사 밀도와 계산된 복사 밀도 비교. SKA의 100시간 및 1000시간 관측 수행 시 감도 추정.
• 은하수 중심부에서의 거리에 따른 동기방출 복사 밀도의 반경 의존성 분석을 통해 PBH 및 DM 질량 탐지.
• 변동성 분석 적용: PBH/DM 과정에서의 일정한 복사 밀도는 시간에 따라 변하는 Sgr A* 복사와 대비되어 소스 식별에 기여.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수 중심부의 천체물리적 소스(예: Sgr A*)와 구별하여, 원시 블랙홀 증발 및 암흑물질 과정으로부터 발생하는 동기방출 및 역컴프턴 복사 신호를 식별할 수 있는가?
• RQ2 다양한 질량 분포와 전자-양전자 에너지 범위에서 PBH와 암흑물질의 복사 밀도는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 기존 및 향후 라디오 천체망원경 데이터를 활용해 PBH가 암흑물질에 차지하는 비율과 DM 융합/붕괴 단면적에 대해 어떤 제약을 둘 수 있는가?
• RQ4 은하수 중심부에서의 반경 방향 복사 밀도 변화는 PBH 또는 암흑물질 입자의 질량을 결정하는 데 도움이 되는가?
• RQ5 PBH/DM 신호의 시간적 변동성 특성은 Sgr A*와 어떻게 다를 수 있으며, 이를 통해 소스 분리가 가능한가?

주요 결과

• 고에너지 전자/양전자 쌍(E ~ 0.1 GeV)의 경우, 동기방출 피크는 약 338 MHz에서 발생하고, 역컴프턴 복사는 자외선에서 X선 영역에 걸쳐 분포한다.
• 저에너지 전자/양전자 쌍(E ~ 2 MeV)의 경우, 동기방출 피크는 약 0.1 MHz에서 발생하고, 역컴프턴 복사는 약 10⁵ MHz 범위에서 발생한다.
• PBH에서 발생하는 동기방출 복사 밀도는 질량 분포에 따라 O(10⁻⁵) Jy에서 O(1) Jy 수준이며, 로그노멀 및 단색 분포에서는 최대 10⁻²까지 높은 PBH 비율 허용.
• 비율법 PBH 질량 분포의 경우, PBH 비율은 약 10⁻⁴로 제약된다.
• 1–100 GeV의 DM 질량 범위에서 DM 융합 단면적은 10⁻²⁹–10⁻²⁵ cm³s⁻¹ 수준으로 제약되며, 붕괴율은 10⁻²⁶–10⁻²⁴ s⁻¹ 수준이다.
• 은하수 중심부에서의 반경 방향 동기방출 복사 밀도 변화는 PBH 또는 DM 질량을 추론하는 데 도움이 되며, 모델 간 구별 기준으로서의 잠재적 활용 가능.