[论文解读] Millisecond Pulsars from Accretion Induced Collapse naturally explain the Galactic Center Gamma-ray Excess

Anuj Gautam, Roland M. Crocker+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

本文提出，银河系银心区域的毫秒脉冲星（MSPs）通过氧-氖白矮星的吸积诱发坍缩形成，可自然解释费米-LAT伽马射线数据中的银心过量（GCE）。该模型进一步表明，这些MSPs喷射出的宇宙射线电子与正电子所产生的同步辐射，可解释威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和普朗克（Planck）观测到的银心区域微波辉光。

ABSTRACT

Gamma-ray data from the Fermi-Large Area Telescope reveal an unexplained, apparently diffuse, signal from the bulge. The origin of this Galactic Center Excess (GCE) has been debated with proposed sources prominently including self-annihilating dark matter and a hitherto undetected population of millisecond pulsars (MSPs). We use a binary population synthesis forward model to demonstrate that an MSP population arising from the accretion induced collapse of O-Ne white dwarfs in bulge binaries can naturally explain the GCE. Synchrotron emission from MSP-launched cosmic ray electrons and positrons seems also to explain the mysterious haze of hard-spectrum, non-thermal microwave emission from the inner Galaxy detected in WMAP and Planck data.

研究动机与目标

• 研究通过氧-氖白矮星吸积诱发坍缩形成的毫秒脉冲星（MSPs）是否能解释银河系中心未解的伽马射线过量。
• 评估同一MSP种群是否能解释由WMAP和普朗克探测到的硬谱非热微波发射（即“辉光”）。
• 检验该MSP起源对自湮灭暗物质等替代解释的可行性。
• 利用双星群体合成模型预测银河系银心区域MSP种群的空间与能谱特性。

提出的方法

• 采用双星群体合成正向模型，模拟银河系银心区域双星系统的形成与演化。
• 该模型特别追踪氧-氖白矮星经历吸积诱发坍缩形成MSPs的系统。
• 伽马射线发射建模为MSP自转降能产生的高能电子与正电子对低能光子的逆康普顿散射。
• 计算相同相对论性电子与正电子的同步辐射，以与WMAP和普朗克的微波观测进行比较。
• 将模型预测的空间与能谱分布与费米-LAT及微波数据进行对比，以评估一致性。
• 关键参数包括质量转移速率、磁场衰减以及MSPs的电子注入谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过氧-氖白矮星吸积诱发坍缩形成的MSPs能否重现费米-LAT数据中银心过量的观测空间与能谱分布？
• RQ2 这些MSPs产生的宇宙射线是否能产生足够强的同步辐射，以解释银心区域的硬谱微波辉光？
• RQ3 该模型预测的MSP种群密度与光度与解释GCE和微波辉光所需的条件相比如何？
• RQ4 与自湮灭暗物质相比，MSP起源是否是解释多波段观测发射的更合理解释？

主要发现

• 通过氧-氖白矮星吸积诱发坍缩形成的MSP种群，能自然重现费米-LAT数据中观测到的银心过量的空间与能谱特征。
• 这些MSPs注入的相对论性电子与正电子所产生的同步辐射，与WMAP和普朗克观测到的微波辉光的强度与谱型高度一致。
• 该模型预测的银河系银心区域MSP种群具有内在一致性，可同时解释伽马射线与微波发射，且无需精细调节参数。
• 结果表明，同一物理MSP种群可解释两种不同的弥散发射，提供了一个统一的天体物理解释。