利用切伦科夫望远镜阵列观测矮球状星系中暗物质湮灭与衰变的前景分析

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Prospects for dark matter observations in dwarf spheroidal galaxies with the Cherenkov Telescope Array Observatory

本研究针对暗物质(DM)粒子性质探测难题，利用下一代切伦科夫望远镜阵列(CTAO)对矮球状星系(dSphs)开展间接探测研究。通过CLUMPY代码对8个最优dSphs（如Draco I、Reticulum II等）的暗物质分布进行建模，计算得到Jann和Jdec天体物理因子。研究预测CTAO在600小时联合观测下，对WIMP湮灭截面的探测灵敏度可达〈σv〉~5×10-25 cm3 s-1（TeV质量区），对衰变寿命的灵敏度达τ~1028 s。该研究为TeV以上能区暗物质探测提供了迄今最灵敏的观测策略。

　　

在当代宇宙学中，暗物质（Dark Matter, DM）的存在已通过多种观测手段得到证实，但其粒子性质仍是物理学最大谜团之一。理论认为弱相互作用大质量粒子（WIMP）是热门候选者，其湮灭或衰变可能产生高能伽马射线，为间接探测提供途径。然而，现有观测设施在TeV以上能区的灵敏度不足，且潜在探测目标（如银河系中心）存在显著天体物理背景干扰，制约了对暗物质信号的清晰识别。

针对这一挑战，由K. Abe等200余位学者组成的CTAO合作组在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》发表研究，系统评估了下一代切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array Observatory, CTAO）对矮球状星系（dwarf spheroidal galaxies, dSphs）中暗物质信号的探测潜力。dSphs作为已知宇宙中暗物质占比最高的天体（质量-光比达10⁴ M_⊙/L_⊙），且几乎无伽马射线背景污染，是理想的暗物质探测实验室。

研究团队首先从64个已知dSphs中筛选出8个最优目标（北半球：Draco I、Coma Berenices、Ursa Major II、Ursa Minor、Willman 1；南半球：Reticulum II、Sculptor、Sagittarius II），其选择标准包括距离（<100 kpc）、光谱数据质量及暗物质含量可靠性。通过CLUMPY软件对目标星系进行Jeans分析，构建暗物质密度分布模型（分别采用cuspy的Einasto剖面和cored的Burkert剖面），计算得到线积分暗物质分布的天体物理因子（J_ann和J_dec）。基于CTAO最新性能参数（Prod5版本IRFs），利用gammapy工具模拟了不同观测策略下的灵敏度曲线，并首次系统量化了天体物理因子不确定性对探测限的影响。

关键技术方法包括：1）基于CLUMPY的马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）动力学分析，求解球对称Jeans方程反演暗物质密度分布；2）采用模板背景法模拟CTAO观测数据，通过似然比检验计算95%置信水平上限；3）引入对数正态分布处理J因子统计误差；4）对比ON/OFF分析与模板法的系统差异。

暗物质分布建模结果

研究显示，经典dSphs（如Draco I、Sculptor）的暗物质密度分布约束显著优于超暗弱dSphs，因后者成员星样本少（N_mem < 50）导致速度弥散测量误差放大。Einasto与Burkert剖面在积分角0.1°内的一致性验证了暗物质信号计算对密度模型选择不敏感。

灵敏度与观测策略优化

600小时联合观测下，CTAO对bb湮灭通道的灵敏度在m_DM > 10 TeV时超越Fermi-LAT，对τ⁺τ^-通道的灵敏度在m_DM > 1 TeV即优于现有切伦科夫望远镜。若忽略J因子误差，Willman 1和Coma Berenices为最优目标；但纳入误差后，Draco I和Ursa Minor因分布约束更优而更具可靠性。研究建议采用“深度观测少数冠军目标”而非“广覆盖”策略。

与其他探测目标对比

dSphs的探测限虽逊于银河系中心（GC）和大型麦哲伦云（LMC）的预测，但后两者受暗物质分布模型不确定性和天体物理背景干扰更大。dSphs作为“干净”目标，在证认潜在信号时具有不可替代的优势。

本研究通过严谨的暗物质分布建模和观测模拟，首次系统量化了CTAO对dSphs中暗物质信号的探测前景。结果表明，CTAO将把TeV能区暗物质探测灵敏度推进一个量级，尤其对质量>10 TeV的WIMP具有独特探测能力。研究强调，未来光谱巡天（如WEAVE、4MOST）对提升dSphs暗物质分布测量精度至关重要，而新发现的高J因子目标（如Ursa Major III）可能进一步优化观测策略。该工作为CTAO核心科学目标提供了关键理论支撑，并奠定了多信使暗物质探测时代的数据分析范式。