[论文解读] Radio observations of the Galactic Centre and the Coma cluster as a probe of light dark matter self-annihilations and decay

Céline Bœhm, Joseph Silk+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 15

一句话总结

本文利用银河系中心和室女座星系团的射电同步辐射发射，更新了亚10 GeV暗物质候选者的约束条件。结果表明，为避免过度产生射电发射，湮灭型暗物质必须具有S波抑制的电子-正电子末态；而衰变型暗物质的寿命必须大于3×10²⁵ s；因此，射电观测为轻量暗物质模型提供了关键的天体物理约束。

ABSTRACT

We update our earlier calculations of gamma ray and radio observational constraints on annihilations of dark matter particles lighter than 10 GeV. We predict the synchrotron spectrum as well as the morphology of the radio emission associated with light decaying and annihilating dark matter candidates in both the Coma cluster and the Galactic Centre. Our new results basically confirm our previous findings: synchrotron emission in the very inner part of the Milky Way constrains or even excludes dark matter candidates if the magnetic field is larger than 50 micro Gauss. In fact, our results suggest that light annihilating candidates must have a S-wave suppressed pair annihilation cross section into electrons (or the branching ratio into electron positron must be small). If dark matter is decaying, it must have a life time that is larger than t = 3. 10^{25} s. Therefore, radio emission should always be considered when one proposes a "light" dark matter candidate.

研究动机与目标

• 利用更新的射电发射预测，重新评估1–10 GeV轻量暗物质的天体物理约束。
• 评估由暗物质湮灭或衰变产生的电子-正电子对所激发的射电同步辐射发射，是否能解释或排除当前直接探测实验的信号。
• 确定在银河系中心和室女座星系团中，轻量暗物质预期产生的射电发射形态与光谱形状。
• 研究磁场强度与电子传播对暗物质诱导同步辐射发射可探测性的影响。
• 确立射电约束对可行的轻量暗物质模型至关重要，尤其是在伽马射线和CMB约束已满足的情况下。

提出的方法

• 对质量为5和10 GeV的暗物质，建模其通过e⁺e⁻末态湮灭与衰变所注入的电子和正电子能谱。
• 利用电子能量分布和空间变化的磁场（包括银河系中心区域50–100 μG的磁场）计算同步辐射发射谱。
• 在银河系晕中模拟电子传播过程，考虑能量损失（同步辐射与逆康普顿辐射）及空间扩散。
• 通过银河面和室女座星系团区域的二维同步辐射发射率图，计算射电发射的形态。
• 将预测的射电流量与观测限制及背景水平进行比较，推导出排除约束。
• 使用标准同步辐射发射率公式：ɛ_ν ∝ ∫ n_e(E) D(E, ν) dE，其中D(E, ν)为辐射能量损失函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 与伽马射线或CMB观测相比，银河系中心和室女座星系团中轻量暗物质（1–10 GeV）的射电同步辐射发射是否能提供更强的约束？
• RQ2 在低频下，衰变型与湮灭型暗物质候选者的同步辐射发射形态有何不同？
• RQ3 银河系中心需要多强的磁场才能使暗物质诱导的射电发射可探测或被排除？
• RQ4 电子能量损失（尤其是同步辐射与逆康普顿辐射）在多大程度上抑制了轻量暗物质的射电信号？
• RQ5 为使暗物质湮灭到e⁺e⁻末态与射电观测保持一致，需要何种抑制机制（如S波抑制）？”

主要发现

• 若磁场超过50 μG，则质量为10 GeV、对湮灭截面为3×10⁻²⁶ cm³s⁻¹的湮灭型暗物质所激发的同步辐射发射，将在银河系中心主导射电发射。
• 对于湮灭型暗物质，由于电子能量损失强烈，射电发射被限制在银河系中心极内区域，仅在中心区域可探测。
• 对于衰变型暗物质，射电发射呈现弥散的椭圆形态，延伸至更大的银纬和银经，因而可能与前景发射区分开。
• 100 μG的磁场会使湮灭型暗物质在银河系中心产生强烈的同步辐射集中，而衰变型暗物质则产生更广、更扩展的信号。
• 为避免过度产生射电发射，尤其是当磁场高于50 μG时，湮灭型暗物质候选者必须具有S波抑制的e⁺e⁻末态湮灭截面。
• 为与射电约束保持一致，衰变型暗物质的寿命必须大于3×10²⁵ s，因为较短的寿命将导致过量的同步辐射发射。