[论文解读] The composition of the Fermi-LAT IGRB intensity: emission from extragalactic point sources and dark matter annihilations

Mattia Di Mauro, Fiorenza Donato|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究分析了50个月的Fermi-LAT数据，将各向同性的 diffuse γ射线背景（IGRB）解释为未解析的河外源以及潜在的暗物质（DM）湮灭所致。其结果与活动星系核和星系形成星系的辐射模型高度一致，同时在广泛的暗物质质量范围内，对接近热重 relic 值的暗物质湮灭截面设定了严格限制。

ABSTRACT

A new estimation of the isotropic diffuse gamma-ray background (IGRB) observed by the Large Area Telescope (LAT) on board the Fermi Gamma-ray Space Telescope (Fermi) has been presented for 50 months of data, in the energy range 100 MeV-820 GeV and for different modelings of the Galactic foreground. We attempt here the interpretation of the Fermi-LAT IGRB data in terms of the gamma-ray unresolved emission from different extragalactic populations. We find very good fits to the experimental IGRB, obtained with theoretical predictions for the emission from active galactic nuclei and star forming galaxies. In addition, we probe a possible emission coming from the annihilation of weakly interacting dark matter (DM) particles in the halo of our Galaxy. We set stringent limits on its annihilation cross section into gamma-rays, which are about the thermal relic value for a wide range of DM masses. We also identify regions in the DM mass and annihilation cross section parameter space which can significantly improve the fit to the IGRB data. Our analysis is conducted within the different IGRB data sets obtained from different models for the Galactic emission, which is shown to add a significant ambiguity on the IGRB interpretation.

研究动机与目标

• 将Fermi-LAT各向同性伽马射线背景（IGRB）解释为未解析的河外点源。
• 探究弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质在银河系晕中湮灭对IGRB的贡献。
• 评估银河系前景建模不确定性对IGRB解释的影响。
• 在一系列暗物质质量范围内，设定WIMP湮灭截面到伽马射线的稳健限制。

提出的方法

• 分析能量范围为100 MeV至820 GeV的50个月Fermi-LAT数据。
• 使用活动星系核和星系形成星系未解析辐射的理论预测来建模IGRB。
• 将银河系晕中暗物质湮灭信号纳入IGRB拟合框架。
• 系统性地改变银河系前景模型，以评估其对IGRB解释和参数约束的影响。
• 在多种前景模型下拟合观测到的IGRB能谱，以推导对暗物质湮灭截面的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fermi-LAT IGRB在多大程度上可由未解析的河外点源（如活动星系核和星系形成星系）解释？
• RQ2 基于IGRB数据，对暗物质湮灭截面到伽马射线的限制是什么？
• RQ3 不同的银河系前景发射模型如何影响IGRB的解释以及对暗物质湮灭限制的推导？
• RQ4 在暗物质质量与湮灭截面的参数空间中，是否存在能显著改善IGRB数据拟合的区域？

主要发现

• 观测到的IGRB可被活动星系核和星系形成星系未解析辐射的理论模型良好拟合。
• 对暗物质湮灭截面设定了严格限制，其值在广泛的暗物质质量范围内接近热重 relic 值。
• 在暗物质质量与湮灭截面的参数空间中，识别出可显著改善IGRB数据拟合的区域。
• 银河系前景建模的差异在IGRB解释以及推导出的暗物质约束中引入了显著的不确定性。