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

Upala Mukhopadhyay, Debasish Majumdar+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文研究了原初黑洞（PBH）蒸发以及银心处暗物质（DM）湮灭/衰变所产生的电子-正电子对所辐射的同步辐射与逆康普顿（IC）辐射。通过单色、幂律及对数正态PBH质量函数，计算了辐射通量，并与射电望远镜数据进行比较，发现同步辐射与IC信号可约束PBH占比（最高达10⁻²）及DM湮灭/衰变速率，且通量随距离的变化可作为探测PBH/DM质量的手段。

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.

研究动机与目标

• 模拟原初黑洞蒸发与银心处暗物质湮灭/衰变所产生的电子-正电子对所辐射的同步辐射与逆康普顿辐射。
• 比较不同质量分布（单色、幂律、对数正态）及电子-正电子能量范围（MeV与GeV）下PBH与暗物质的辐射通量。
• 评估利用现有及未来射电望远镜（包括SKA）探测这些信号的可能性。
• 基于观测通量比较，推导PBH在暗物质中的占比、DM湮灭/衰变截面以及PBH质量函数的约束。

提出的方法

• 计算由原初黑洞蒸发与DM湮灭/衰变产生的高能（GeV）与低能（MeV）电子-正电子对所辐射的同步辐射与逆康普顿辐射通量。
• 在银心磁场与光子场环境中，采用三种PBH质量分布——单色、幂律与对数正态分布。
• 应用标准的同步辐射与逆康普顿辐射公式，结合电子能量、银心磁场强度及光子密度。
• 将计算所得通量与VLA、GMRT及MeerKAT在1.5–10¹⁰ MHz频段的观测通量密度进行比较，并估算SKA在100小时与1000小时观测时间下的灵敏度。
• 分析同步辐射通量的径向依赖性，以探测PBH与DM的质量。
• 采用变异性分析：PBH/DM过程的通量恒定，与Sgr A*的时变发射形成对比，有助于源的区分。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初黑洞蒸发与暗物质过程所产生的同步辐射与逆康普顿辐射，能否与银心处如Sgr A*等天体物理源相区分？
• RQ2 在不同质量分布与电子-正电子能量范围内，PBH与暗物质的通量如何比较？
• RQ3 利用当前及未来射电望远镜数据，可对PBH在暗物质中的占比及DM湮灭/衰变截面施加何种约束？
• RQ4 同步辐射通量的径向变化是否可作为推断PBH或暗物质粒子质量的手段？
• RQ5 PBH/DM信号的时间变异性特征与Sgr A*有何不同，从而实现源的分离？

主要发现

• 对于高能电子/正电子（E ~ 0.1 GeV），同步辐射峰值位于~338 MHz，而逆康普顿辐射覆盖紫外至X射线波段。
• 对于低能电子/正电子（E ~ 2 MeV），同步辐射峰值位于~0.1 MHz，逆康普顿辐射峰值位于~10⁵ MHz。
• PBH产生的同步辐射通量密度范围为O(10⁻⁵) Jy至O(1) Jy，具体取决于质量分布，其中对数正态与单色分布允许更高的PBH占比（最高达10⁻²）。
• 对于幂律PBH质量分布，PBH占比被约束在~10⁻⁴量级。
• DM湮灭截面被约束在10⁻²⁹–10⁻²⁵ cm³s⁻¹之间（DM质量为1–100 GeV），衰变率被约束在10⁻²⁶–10⁻²⁴ s⁻¹之间。
• 同步辐射通量随银心距离的径向变化可作为推断PBH或DM质量的探针，为不同模型提供潜在区分依据。