[논문 리뷰] Radio observations of the Galactic Centre and the Coma cluster as a probe of light dark matter self-annihilations and decay

Céline Bœhm, Joseph Silk외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 30.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 은하중심과 코마 성운에서의 라디오 싱크로트론 복사에 기반해 10 GeV 미만의 어두운 물질 후보에 대한 제약 조건을 업데이트한다. 붕괴하는 어두운 물질이 전자-양전자 최종 상태로 S-파 협약을 겪는 경우, 과도하게 많은 라디오 복사를 유도하지 않도록 하기 위해 필수적이며, 붕괴하는 어두운 물질는 수명이 3×10²⁵ s 이상이어야 한다. 따라서 라디오 관측은 가벼운 어두운 물질 모델에 대해 중요한 천체물리학적 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We update our earlier calculations of gamma ray and radio observational constraints on annihilations of dark matter particles lighter than 10 GeV. We predict the synchrotron spectrum as well as the morphology of the radio emission associated with light decaying and annihilating dark matter candidates in both the Coma cluster and the Galactic Centre. Our new results basically confirm our previous findings: synchrotron emission in the very inner part of the Milky Way constrains or even excludes dark matter candidates if the magnetic field is larger than 50 micro Gauss. In fact, our results suggest that light annihilating candidates must have a S-wave suppressed pair annihilation cross section into electrons (or the branching ratio into electron positron must be small). If dark matter is decaying, it must have a life time that is larger than t = 3. 10^{25} s. Therefore, radio emission should always be considered when one proposes a "light" dark matter candidate.

연구 동기 및 목표

• 업데이트된 라디오 복사 예측을 사용하여 1–10 GeV 범위의 가벼운 어두운 물질에 대한 천체물리적 제약 조건을 재평가한다.
• 어두운 물질 붕괴 또는 붕괴에 의해 생성된 전자-양전자 쌍으로부터 유래한 라디오 싱크로트론 복사가 현재의 직접 탐지 신호를 설명하거나 배제할 수 있는지 평가한다.
• 은하중심과 코마 성운에서 기대되는 가벼운 어두운 물질에 의한 라디오 복사의 형태와 스펙트럼 형상을 규명한다.
• 자기장 강도와 전자 전파가 어두운 물질에 의해 유도된 싱크로트론 복사 탐지 가능성에 미치는 영향을 검토한다.
• 특히 감마선 및 CMB 제약 조건을 만족하는 경우에도 라디오 제약 조건이 타당한 가벼운 어두운 물질 모델에 필수적임을 확립한다.

제안 방법

• 5 GeV와 10 GeV에서 e⁺e⁻ 최종 상태로 붕괴하거나 붕괴하는 어두운 물질에 의한 전자 및 양전자 주입 스펙트럼을 모델링한다.
• 전자 에너지 분포와 공간적으로 변화하는 자기장(은하중심에서 50–100 μG 포함)을 사용하여 싱크로트론 복사 스펙트럼을 계산한다.
• 은하 할로에서 에너지 손실(싱크로트론 및 역코맘프턴)과 공간 확산를 고려한 전자 전파를 시뮬레이션한다.
• 은하면과 코마 성운 지역의 2차원 싱크로트론 복사 강도 맵을 사용하여 라디오 복사의 형태를 계산한다.
• 예측된 라디오 유도량과 관측 제한 및 배경 수준을 비교하여 배제 제약 조건을 유도한다.
• 표준 싱크로트론 복사 강도 공식을 사용: ɛ_ν ∝ ∫ n_e(E) D(E, ν) dE, 여기서 D(E, ν)는 복사 손실 함수이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하중심과 코마 성운에서의 가벼운 어두운 물질(1–10 GeV)에 의한 라디오 싱크로트론 복사가 감마선 또는 CMB 관측보다 더 강력한 제약 조건을 제공할 수 있는가?
• RQ2 저주파수에서 붕괴하는 어두운 물질와 붕괴하는 어두운 물질 후보 간에 싱크로트론 복사의 형태는 어떻게 다를까?
• RQ3 은하중심에서 어두운 물질에 의해 유도된 라디오 복사가 탐지 가능하거나 배제 가능하도록 하기 위해 필요한 자기장 강도는 얼마인가?
• RQ4 특히 싱크로트론 및 역코맘프턴 손실에 의해 전자 에너지 손실이 라디오 신호를 얼마나 억제하는가?
• RQ5 라디오 관측과 일치하기 위해 어두운 물질 붕괴가 e⁺e⁻로의 붕괴에 대해 필요한 억제 메커니즘(예: S-파 억제)은 무엇인가?

주요 결과

• 10 GeV 질량의 붕괴하는 어두운 물질가 3×10⁻²⁶ cm³s⁻¹의 쌍 붕괴 단면적을 가지며, 자기장이 50 μG를 초과할 경우 은하중심에서 라디오 복사가 지배적일 것이다.
• 붕괴하는 어두운 물질의 경우 강한 전자 에너지 손실로 인해 라디오 복사가 매우 내부 은하중심에 국한되어 중심부에서만 탐지 가능하다.
• 붕괴하는 어두운 물질의 경우 라디오 복사는 퍼르스러운 타원형 형태로 확산되어 더 큰 은하 위도 및 경도로 확장되어 있으며, 배경과 구별 가능할 수 있다.
• 100 μG의 자기장은 붕괴하는 어두운 물질의 경우 은하중심에 싱크로트론 복사가 강하게 집중되게 하며, 붕괴하는 어두운 물질는 넓고 확장된 신호를 생성한다.
• 붕괴하는 어두운 물질 후보는 특히 자기장이 50 μG를 초과할 경우 과도하게 많은 라디오 복사를 유도하지 않도록 하기 위해 e⁺e⁻로의 S-파 억제된 붕괴 단면적이 필요하다.
• 붕괴하는 어두운 물질는 라디오 제약 조건을 만족하기 위해 수명이 3×10²⁵ s 이상이어야 하며, 이보다 낮은 수명은 과도한 싱크로트론 복사를 유도할 것이다.