[论文解读] Hunting for dark matter subhalos among the Fermi-LAT sources with VERITAS

D. Nieto|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用 6

一句话总结

本研究利用高能（HE）和甚高能（VHE）伽马射线数据，在银河系中搜寻暗物质亚结构。结合费米-LAT与VERITAS的观测，识别出两个未关联的费米-LAT源——2FGL J0545.6+6018 和 2FGL J1115.0−0701——作为潜在的暗物质亚结构候选体，其能谱拟合结果偏好WIMP质量分别为78.3 GeV（末态为b̄b）和89.2 GeV（末态为W⁺W⁻），暗示可能存在与标准天体物理解释相悖的暗物质信号。

ABSTRACT

The distribution of dark matter in the Galaxy, according to state-of-the-art simulations, shows not only a smooth halo component but also a rich substructure where a hierarchy of dark matter subhalos of different masses is found. We present a search for potential dark matter subhalos in our Galaxy exploiting the high (HE, 100 MeV -- 100 GeV) and very-high-energy (VHE, >100 GeV) gamma-ray bands. We assume a scenario where the dark matter is composed of weakly interacting massive particles of mass over 100 GeV, and is capable of self-annihilation into standard model products. Under such a hypothesis, most of the photons created by the annihilation of dark matter particles are predicted to lay in the HE gamma-ray band, where the Fermi-Large Area Telescope is the most sensitive instrument to date. However, the distinctive spectral cut-off located at the dark matter particle mass is expected in the VHE gamma-ray band, thus making imaging atmospheric Cherenkov telescopes like VERITAS the best suited instruments for follow-up observations and the characterization of a potential dark matter signature. We report on the ongoing VERITAS program to hunt for these dark matter subhalos, particularly focusing on two promising dark matter subhalo candidates selected among the Fermi-LAT Second Source Catalog unassociated high-energy gamma-ray sources.

研究动机与目标

• 利用费米-LAT 2FGL星表中的未关联高能伽马射线源，识别银河系中潜在的暗物质亚结构。
• 通过VERITAS对未关联的HE源进行VHE伽马射线后续观测，检验其可能为暗物质亚结构的假设。
• 通过将观测到的能谱能量分布与理论湮灭模型进行拟合，约束弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的性质。
• 通过将推导出的J因子与湮灭截面与矮椭圆星系观测结果的现有限制进行比较，评估这些源作为暗物质候选体的可行性。
• 评估下一代仪器（如切伦科夫望远镜阵列CTA）在未来发现暗物质亚结构的潜力。

提出的方法

• 基于高银纬、无变光性、无多波段对应体以及从VERITAS可观测等标准，从费米-LAT 2FGL星表中选取候选源。
• 在VHE波段（85 GeV – 30 TeV）对VERITAS进行深度观测，以探测暗物质亚结构可能产生的伽马射线辐射。
• 对7年的费米-LAT数据与VERITAS VHE数据进行联合分析，构建每个候选源的能谱能量分布（SED）。
• 将SED与理论WIMP湮灭谱进行拟合，假设自湮灭末态为b̄b、W⁺W⁻、μ⁺μ⁻和τ⁺τ⁻，并设定分支比为1。
• 计算每个源的J因子（天体物理因子），并将推导出的湮灭截面与矮椭圆星系观测结果在95%置信水平下的限制进行比较。
• 使用卡方自由度（χ²/d.o.f.）统计量评估每种湮灭通道的拟合优度。

实验结果

研究问题

• RQ1 未关联的费米-LAT源在高银纬处是否可通过VHE伽马射线辐射解释为暗物质亚结构？
• RQ2 基于HE与VHE能谱联合拟合，两个候选源的最佳拟合WIMP质量与湮灭截面是多少？
• RQ3 推导出的J因子与湮灭截面与来自矮椭圆星系的现有约束相比如何？
• RQ4 哪种WIMP湮灭末态（b̄b、W⁺W⁻、μ⁺μ⁻、τ⁺τ⁻）对2FGL J0545.6+6018的观测SED拟合最佳？
• RQ5 其他天体物理解释（如射电辐射微弱的脉冲星）在多大程度上可解释观测到的辐射？

主要发现

• 2FGL J0545.6+6018的能谱能量分布（SED）最符合WIMP湮灭为W⁺W⁻末态的模型，拟合得到的WIMP质量为89.2 GeV，且卡方自由度（χ²/d.o.f.）为0.74。
• 2FGL J0545.6+6018的SED也较合理地符合b̄b末态的湮灭模型，拟合得到的WIMP质量为78.3 GeV，且卡方自由度（χ²/d.o.f.）为1.04。
• 2FGL J0545.6+6018的J因子比最有可能的矮椭圆星系——大熊座II（Ursa Major II）——的J因子高出一个数量级。
• 对于b̄b末态（78.3 GeV WIMP），其湮灭截面低于来自矮星系观测的95%置信水平限制（1.0×10⁻²⁵ cm³s⁻¹）。
• 对于W⁺W⁻末态（89.2 GeV WIMP），其湮灭截面低于来自矮星系观测的95%置信水平限制（1.6×10⁻²⁵ cm³s⁻¹），尽管存在轻微张力。
• 2FGL J1115.0−0701表现出通量变异性且位于高银纬，表明其可能为耀变体；其VHE辐射是否可探测取决于红移，建议持续监测。