[论文解读] A Bright Gamma-ray Galactic Center Excess and Dark Dwarfs: Strong Tension for Dark Matter Annihilation Despite Milky Way Halo Profile and Diffuse Emission Uncertainties

Kevork N. Abazajian, Ryan E. Keeley|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文通过考虑银河系暗物质晕轮廓和弥漫伽马射线发射的不确定性，研究了费米-LAT数据中的银心过量（GCE）。尽管存在这些不确定性，GCE仍与矮星系巡天中得到的暗物质湮灭约束存在强烈矛盾，表明可能存在高度集中化的晕、银心与矮星系之间湮灭行为的差异，或比以往认为更低的本地恒星密度。

ABSTRACT

We incorporate Milky Way dark matter halo profile uncertainties, as well as an accounting of diffuse gamma-ray emission uncertainties in dark matter annihilation models for the Galactic Center Extended gamma-ray excess (GCE) detected by the Fermi Gamma Ray Space Telescope. The range of particle annihilation rate and masses expand when including these unknowns. However, two of the most precise empirical determinations of the Milky Way halo's local density and density profile leave the signal region to be in considerable tension with dark matter annihilation searches from combined dwarf galaxy analyses for single-channel dark matter annihilation models. The GCE and dwarf tension can be alleviated if: one, the halo is very highly concentrated or strongly contracted; two, the dark matter annihilation signal differentiates between dwarfs and the GC; or, three, local stellar density measures are found to be significantly lower, like that from recent stellar counts, increasing the local dark matter density.

研究动机与目标

• 评估银河系暗物质晕轮廓不确定性对将银心过量（GCE）解释为暗物质信号的影响。
• 评估弥漫伽马射线发射不确定性对GCE暗物质湮灭模型的影响。
• 测试在现实天体物理不确定性下，GCE与矮星系暗物质约束之间的矛盾是否可以得到解决。
• 探索可调和GCE与现有暗物质湮灭极限的替代解释，包括晕收缩或修订的本地恒星密度估计。

提出的方法

• 纳入一系列银河系暗物质晕密度轮廓，包括高度集中和收缩模型，以评估其对GCE信号强度的影响。
• 考虑弥漫伽马射线发射组分的不确定性，特别是宇宙射线相互作用的贡献，以改进GCE区域的背景建模。
• 结合费米-LAT对银心的观测与多个矮星系巡天的数据，测试单通道暗物质湮灭模型的一致性。
• 利用恒星运动学的实测本地暗物质密度和近期恒星计数，探索修订后的本地密度如何影响矛盾程度。
• 评估银心与矮星系之间湮灭截面差异的含义，允许其具有环境依赖性。
• 量化在不同晕和背景假设下，暗物质质量与湮灭率的允许参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系暗物质晕轮廓的不确定性在多大程度上影响GCE与暗物质湮灭模型的一致性？
• RQ2 弥漫伽马射线发射的不确定性在多大程度上改变对GCE的暗物质湮灭率和质量约束的推断？
• RQ3 若假设一个高度集中或收缩的晕，是否能解决GCE与矮星系湮灭约束之间的矛盾？
• RQ4 如果银心与矮星系的暗物质湮灭率不同，矛盾是否能缓解？
• RQ5 若采用近期恒星计数的修订估计，本地恒星密度显著降低，是否会导致本地暗物质密度升高，从而调和与矮星系约束的矛盾？

主要发现

• 即使考虑到晕轮廓和弥漫发射的不确定性，银心过量仍与来自矮星系联合分析的暗物质湮灭约束存在强烈矛盾。
• 对于银河系本地暗物质密度和晕轮廓的两种最精确的实测结果，该矛盾依然存在。
• 要解决该矛盾，需要一个极为高度集中或强烈收缩的暗物质晕，但当前约束并不支持这一情况。
• 像银心与矮星系之间湮灭行为差异这样的替代解释可缓解矛盾，但需要非普遍性的湮灭截面。
• 若本地恒星密度显著降低（与近期恒星计数测量一致），将提高本地暗物质密度，有助于调和GCE与矮星系约束之间的矛盾。
• 当前数据不支持通过简单暗物质湮灭解释GCE，除非引入非标准晕特性或湮灭率的环境依赖性。