[论文解读] WMAP Microwave Emission Interpreted as Dark Matter Annihilation in the Inner Galaxy

Douglas P. Finkbeiner|ArXiv.org|Sep 2, 2004

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 20

一句话总结

本文提出，WMAP在银心区域观测到的过量微波辐射是由100 GeV暗物质粒子湮灭产生的超相对论性电子-正电子对所激发的同步辐射所致。推导出的电子能量分布与恒星辐射的逆康普顿散射一致，匹配观测到的微波谱，并与暗物质湮灭截面为 $2 \times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3\ s^{-1}}$ 及银心区域截断的 $r^{-1}$ 型暗物质分布相容。

ABSTRACT

Excess microwave emission observed in the inner Galaxy (inner ~1 kpc) is consistent with synchrotron emission from highly relativistic electron-positron pairs produced by dark matter particle annihilation. More conventional sources for this emission, such as free-free (thermal bremsstrahlung), thermal dust, spinning dust, and the softer Galactic synchrotron traced by low-frequency surveys, have been ruled out. The total power observed in the range 23 < nu < 61 GHz is between 10^{36} and 5x10^{36} erg/s, depending on the method of extrapolation to the Galactic center, where bright foreground emission obscures the signal. The inferred electron energy distribution is diffusion hardened, and is in qualitative agreement with the energy distribution required to explain the gamma ray excess in the inner Galaxy at 1-30 GeV as inverse-Compton scattered starlight. We investigate the possibility that this population of electrons is produced by dark matter annihilation of 100 GeV particles, with cross section =2x10^{-26} cm^3/s, and an 1/r dark matter mass profile truncated in the inner Galaxy, and find this scenario to be consistent with current data.

研究动机与目标

• 解释WMAP在银心区域（23–61 GHz）观测到的未解微波过量。
• 排除自由-自由辐射、热尘埃、转动尘埃及标准同步辐射等传统天体物理源的可能性。
• 探究观测到的辐射是否可归因于暗物质湮灭产生相对论性电子-正电子对。
• 检验暗物质湮灭假说与观测电子能量谱及微波光度的一致性。
• 利用多波段数据与理论建模，约束暗物质粒子质量、湮灭截面及空间分布。

提出的方法

• 使用包含扩散、同步辐射与逆康普顿散射能量损失及空间输运的福克-普朗克方程建模电子能量分布。
• 对最简情况采用解析解，对可变扩散与能量损失参数采用数值解。
• 采用NFW暗物质密度分布，核心半径 $r_s = 20$ kpc，太阳邻近区域密度为 $6.5 \times 10^{-25}\ \mathrm{g\ cm^{-3}}$。
• 定义单位体积湮灭率为 $\Gamma(r) = \left(\rho_{\text{NFW}}(r)/m_\chi\right)^2 \langle\sigma_A v\rangle$，假设为马约拉纳费米子湮灭。
• 通过卷积湮灭率与考虑空间扩散与能量损失的格林函数，计算单位能量的电子数密度。
• 积分所得电子分布以预测微波同步辐射，并与WMAP数据对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 银心区域观测到的微波过量是否可由暗物质湮灭产生的相对论性电子所激发的同步辐射解释？
• RQ2 自由-自由辐射、热尘埃、转动尘埃及标准同步辐射等传统天体物理前景是否足以解释观测到的微波辐射？
• RQ3 与观测到的微波光度及谱型一致的暗物质粒子质量与湮灭截面为何？
• RQ4 受扩散与能量损失影响的电子能量分布，是否满足产生1–30 GeV能量范围逆康普顿散射光子的需求？
• RQ5 银心区域截断的 $r^{-1}$ 型暗物质分布是否与观测辐射及当前约束一致？

主要发现

• 银心区域（23–61 GHz）的总微波光度估计为 $1 \times 10^{36}$ 至 $5 \times 10^{36}\ \mathrm{erg\ s^{-1}}$，具体取决于向银心区域的外推方式。
• 推导出的电子能量分布具有扩散硬化特征，与产生观测到的1–30 GeV能量范围逆康普顿散射光子所需的能量谱一致。
• 质量为100 GeV的暗物质粒子，其湮灭截面为 $\langle\sigma_A v\rangle = 2 \times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3\ s^{-1}}$，与观测到的微波辐射一致。
• 该模型假设银心区域存在截断的 $r^{-1}$ 型暗物质密度分布，有助于避免在银心附近产生过量的同步辐射。
• 银河系总湮灭速率为 $4.6 \times 10^{38}\ \mathrm{s^{-1}}$，其中 $4 \times 10^{38}\ \mathrm{s^{-1}}$ 贡献于产生微波辐射的电子种群。
• 其他星系中未检测到强信号，可能源于缺乏足够分辨率以分离各成分辐射，表明WMAP的高精度使银心信号得以唯一分辨。