[论文解读] Constraints on ultracompact minihalos from the extragalactic gamma-ray background observation

Xing-Fu Zhang, Ji-Gui Cheng+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 73被引用 7

一句话总结

本研究通过使用更新的Fermi-LAT数据分析河外伽马射线背景（EGB），改进了对超致密微型晕（UCMHs）——一种具有陡峭密度分布的假想暗物质结构——的约束。通过全面建模天体物理贡献（耀变体、射电星系、恒星形成星系），作者将UCMH丰度的限制比以往研究收紧了1–2个数量级，同时探测了已知天体物理源之外的潜在额外成分。

ABSTRACT

Ultracompact minihalo (UCMH) is a special type of dark matter halo with a very steep density profile which may form in the early universe seeded by an overdense region or a primordial black hole. Constraints on its abundance give valuable information on the power spectrum of primordial perturbation. In this work, we update the constraints on the UCMH abundance in the universe using the extragalactic gamma-ray background (EGB) observation. Comparing to previous works, we adopt the updated Fermi-LAT EGB measurement and derive constraints based on a full consideration of the astrophysical contributions. With these improvements, we place constraints on UCMH abundance 1-2 orders of magnitude better than previous results. With the background components considered, we can also attempt to search for possible additional components beyond the known astrophysical contributions.

研究动机与目标

• 利用河外伽马射线背景（EGB）改进宇宙中超致密微型晕（UCMHs）丰度的约束。
• 通过整合已知天体物理贡献（耀变体、射电星系、恒星形成星系）至EGB，而非依赖保守的综合光谱，以改进先前的限制。
• 评估UCMH模型与DAMPE卫星观测到的1.4 TeV电子-正电子过剩的兼容性。
• 探索EGB中是否存在已知天体物理源之外的额外伽马射线成分，并探究其是否可能归因于UCMHs。

提出的方法

• 使用最新的Fermi-LAT EGB测量结果（模型B），其谱指数γ = 2.28 ± 0.01，截止能量Ecut = 267 ± 37 GeV。
• 利用自相似、径向下落坍缩模型，计算单个UCMH的预期伽马射线通量，其密度分布为ρ ∝ r−9/4，并在红移依赖的半径Ru(z)处截断。
• 通过积分红移相关的质量函数和红移演化，计算所有UCMH贡献的总伽马射线通量。
• 利用光度函数和相关数据，建模已知天体物理成分（耀变体、射电星系、恒星形成星系）的贡献，以准确模拟EGB谱。
• 通过似然分析，将总预测的EGB谱（天体物理贡献 + UCMH贡献）与观测到的Fermi-LAT数据进行比较，以约束UCMH丰度。
• 将约束结果应用于混合WIMP-PBH暗物质模型，以及天体物理黑洞周围的微型尖峰。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最新的EGB观测下，宇宙中超致密微型晕（UCMHs）丰度的最紧可能约束是什么？
• RQ2 当全面考虑EGB中的天体物理贡献而非假设保守的上限时，UCMH丰度的约束如何变化？
• RQ3 UCMH模型能否容纳DAMPE卫星观测到的1.4 TeV电子-正电子过剩？
• RQ4 在EGB中是否存在已知天体物理源之外的额外伽马射线成分的证据？该成分是否可能归因于UCMHs？

主要发现

• 通过全面建模EGB中的天体物理贡献，本研究将超致密微型晕（UCMHs）丰度的约束比以往研究收紧了1–2个数量级。
• 在全面建模耀变体、射电星系和恒星形成星系的基础上，所得约束比以往依赖综合光谱的保守研究更为真实、不那么保守。
• 所获得的UCMH丰度约束可直接应用于混合WIMP-PBH暗物质模型，从而对原初黑洞（PBH）丰度施加间接约束。
• 分析未在当前灵敏度范围内发现EGB中存在已知天体物理源之外的额外伽马射线成分的显著证据。
• 在改进的约束下，UCMH模型与DAMPE观测到的1.4 TeV电子-正电子过剩不兼容，排除了该解释作为可行机制的可能性。
• 结果为早期宇宙中相变（QCD、电弱、e+e−）引发的UCMH形成所对应的极小尺度原初功率谱提供了更紧的约束。