[论文解读] Prompt cusps and the dark matter annihilation signal

M. Sten Delos, Simon D. M. White|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出，热产生的WIMP会在早期暗物质团块中心形成致密的原初‘瞬时核’，这些核至今仍存在。这些核使暗物质湮灭信号增强至少一个数量级以上——尤其在星系中心之外——使各向同性伽马射线背景和大尺度结构成为间接探测的首要目标，挑战了以往聚焦于星系中心的假设。

ABSTRACT

As the first dark matter objects gravitationally condense, a density cusp forms immediately at every initial density maximum. Numerical simulations and theoretical arguments suggest that these prompt cusps can survive until the present day. We show that if dark matter is a thermally produced weakly interacting massive particle, many thousands of prompt cusps with individual masses similar to that of the Earth may be present in every solar mass of dark matter. This radically alters predictions for the amount and spatial distribution of dark matter annihilation radiation. The annihilation rate is boosted by at least an order of magnitude compared to previous predictions, both in the cosmological average and within galaxy-scale halos. Moreover, the signal is predominantly boosted outside of the centers of galactic halos, so alternative targets become significantly more attractive for indirect-detection searches. For example, prompt cusps present new opportunities to test the dark matter interpretation of the Galactic Center gamma-ray excess by searching for similar spectral signatures in the isotropic gamma-ray background and large-scale cosmic structure.

研究动机与目标

• 研究原初密度核在第一代暗物质晕坍缩期间的存活性与特性。
• 评估这些瞬时核对预测暗物质湮灭信号的影响，尤其与标准晕子结构模型进行比较。
• 通过量化瞬时核的时空分布与增强因子，重新评估间接探测策略。
• 通过预测瞬时核在各向同性伽马射线背景中的信号，检验银河系中心伽马射线过量的暗物质解释。

提出的方法

• 通过数值模拟与理论论证建模瞬时核的形成，表明其在坍缩时满足 ρ ∝ r⁻¹.⁵，并能抵抗潮汐剥离而存活。
• 利用宇宙学初始条件，从早期峰值的线性密度场推导每个瞬时核的质量与尺度。
• 应用潮汐剥离模型，假设近心点半径 ≈ r/2，估算瞬时核在更大晕中的存活比例。
• 通过积分瞬时核的空间分布并与平滑晕贡献比较，计算湮灭增强因子。
• 利用红移能量谱与宇宙学积分，推导各向同性伽马射线背景通量，考虑核密度与存活比例。
• 将银河系晕与星系际结构预测的通量与费米-LAT对各向同性背景的测量结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在第一代暗物质晕坍缩期间形成的瞬时核的空间分布与存活率如何？
• RQ2 与标准子结构模型相比，瞬时核如何改变预测的暗物质湮灭信号？
• RQ3 在银河系晕内与星系际背景中，瞬时核湮灭辐射的预期增强因子是多少？
• RQ4 若银河系中心伽马射线过量源于暗物质湮灭，其在各向同性伽马射线背景中应呈现何种信号？
• RQ5 与星系中心相比，大尺度宇宙结构与各向同性伽马射线背景是否更具间接探测潜力？

主要发现

• 在早期WIMP晕中形成的瞬时核能抵抗潮汐剥离，保持内部结构完整，显著贡献于现今的暗物质分布。
• 由于瞬时核的存在，银河系晕中的湮灭率至少增强10倍，且在星系中心之外增强效应最强。
• 湮灭辐射的空间分布比以往假设更为广泛，因为瞬时核主导了低密度区域的信号。
• 若银河系中心伽马射线过量源于暗物质湮灭，则其相似的能谱特征应在各向同性伽马射线背景中可观测到。
• 考虑到未分辨瞬时核带来的增强信号，星系际结构与大尺度宇宙网成为比星系中心更具吸引力的间接探测目标。