使用Fermi-LAT数据搜索矮椭圆星系中的γ射线辐射

《Journal of High Energy Astrophysics》：Search for γ-ray emission from dwarf spheroidal galaxies with Fermi-LAT data

本研究利用17年Fermi-LAT数据对45个银河系矮星系进行γ射线搜索，未发现显著暗物质湮灭信号（>5σ），但有部分矮星系显示弱过剩信号（>2σ）。Willman 1的TS峰值为9.6（χ→τ+τ-，~60 GeV），但Reticulum II信号波动、Eridanus II和Reticulum III信号偏离中心，可能为天体物理源污染。Bo?tes II、Ursa Minor和Crater II的局部显著性2-2.5σ，与叠加分析矛盾，排除暗物质湮灭。

　　

尚丽

安徽大学物理学院，合肥，230601

摘要

本研究利用大约17年的Fermi-LAT数据，搜索了45个银河系矮椭圆星系（dSphs，包括候选星系）的γ射线辐射。在暗物质湮灭的情景下，没有发现显著的（>5σ）γ射线信号。在一些dSphs中发现了非常微弱的γ射线过剩（>2σ）。在Willman 1方向观察到的暗物质湮灭信号最为显著，其峰值TS值为约9.6，对应的暗物质质量约为60 GeV。

由于信号的不显著性，目前无法确定其真实来源。在Reticulum II附近观测到的γ射线过剩显示出变化，表明该信号不太可能是由暗物质湮灭引起的。此外，Eridanus II和Reticulum III中的γ射线过剩明显偏离了它们的中心，这可能是由于来自天体物理源的污染。

引言

许多天体物理和宇宙学观测表明，暗物质（DM）占宇宙物质总量的约84%（Ade，2016）。然而，暗物质的基本性质仍然是个谜。在粒子物理学中，提出了许多超出标准模型的候选者，其中弱相互作用大质量粒子（WIMPs）是一个主要的理论候选者（Bertone等人，2005；Feng，2010；Hooper和Profumo，2007）。WIMPs可以湮灭或衰变为标准模型粒子（Bertone等人，2005；Feng，2010；Hooper和Profumo，2007），最终可能产生γ射线。这些γ射线可以通过诸如Fermi大面积望远镜（Fermi-LAT）等实验检测到（Atwood，2009）。人们进行了大量研究，旨在探测来自暗物质湮灭或衰变的γ射线辐射，目标包括矮椭圆星系（Ackermann等人，2015；Albert等人，2017；Mcdaniel等人，2024）、星系团（Ackermann等人，2015；Mauro等人，2023）、银河中心（Calore等人，2015；Hooper和Goodenough，2011）以及外星系γ射线背景（Mauro等人，2015）。尽管付出了这些努力，但尚未有确凿的信号被确认。

银河系矮椭圆星系（dSph）被认为是间接探测暗物质的理想目标之一。研究发现dSphs具有较高的质量光比（Simon等人，2011；Wolf等人，2010），这意味着它们主要由暗物质构成。此外，dSphs中缺乏天体物理产生的γ射线机制（Baltz和Wai，2004；Lake，1990；Strigari，2013），导致γ射线背景非常低。许多研究人员对dSphs进行了γ射线辐射的搜索，包括单独分析和叠加处理。然而，尚未确认任何具有高显著性的γ射线信号，同时对暗物质参数获得了非常严格的限制（Ackermann等人，2015；Abdollahi和Baldini，2025；Ackermann等人，2011，2014；Cholis和Salucci，2012；Geringer-Sameth和Koushiappas，2011；Geringer-Sameth等人，2015a）。Fermi-LAT数据对低于约1 TeV的暗物质质量提供了最严格的限制，而成像空气切伦科夫望远镜（IACTs）在更高质量下也有重要贡献（Abdollahi和Baldini，2025）。此外，还报告了一些轻微过剩的迹象，例如Reticulum II（Albert等人，2017；Drlica-Wagner，2015；Geringer-Sameth等人，2015b；Hooper和Linden，2015；Li等人，2018；Mauro等人，2022；Mcdaniel等人，2024；Tucana II（Bhattacharjee等人，2019；Mauro等人，2022）；Willman 1（Li等人，2021；Mauro等人，2022；Mcdaniel等人，2024）等。这些可能的信号的真实来源仍然未知。

多年来，已知的dSphs数量显著增加，目前已识别出超过50个系统（Drlica-Wagner等人，2020）。利用Fermi-LAT收集了超过17年的数据，本工作对这些dSphs的γ射线辐射进行了搜索。由于存在大量潜在的未解析点源以及与银河平面相关的弥散前景建模的不确定性，排除了银河纬度|b|<20°的目标。此外，为了减少背景γ射线源的污染，确保4FGL-DR4目录（Ballet等人，2023）中列出的任何源都不位于任何选定的dSphs的0.5°范围内。最终确定了45个dSphs的样本，如表1所示。这些源的位置和距离直接取自Mcdaniel等人（2024）的研究。

$J\; =\; \int \rho (r)d\Omega$

$J-factor值及其不确定性对于前27个目标是在0.5°的积分角度下计算的（Pace和Strigari，2019）。分析基于以下主要假设：暗物质分布遵循NFW轮廓（Navarro等人，1996）；其密度通过在假设质量轮廓由暗物质晕主导的情况下解球形Jeans方程来限制；恒星组分采用Plummer轮廓进行建模（Plummer，1911），假设速度各向异性随半径变化（详见Pace和Strigari，2019）。Bo?tes\; II和Tucana\; IV的J-factor值分别来自Bruce等人（2023）和Simon等人（2020）。Sagittarius\; II和Crater\; II的J-factor值取自Boddy等人（2020）。对于其余14个目标，J-factor值由Mcdaniel等人（2024）根据Pace和Strigari（2019）的光谱和光度缩放关系推导得出。其他参考文献中也提供了J-factor的替代确定方法（Alvarez等人，2020；Boddy等人，2020；Chiappo等人，2017；Evans等人，2016；Hayashi等人，2016）。$

数据分析

本研究分析了Fermi-LAT望远镜收集的Pass 8数据（P8R3_SOURCE_V3）。数据覆盖了从2008年8月4日到2025年6月23日的大约17年时期（任务流逝时间间隔为239557417 - 772333251），能量范围从500 MeV到500 GeV。为了最小化来自地球边缘光子的污染，排除了天顶角大于100°的事件。应用了标准的数据质量选择标准（DATA_QUAL==1 && LAT_CONFIG==1）。

搜索暗物质辐射

预期的暗物质湮灭产生的γ射线通量由Bertone等人（2005；Feng，2010；Hooper和Profumo，2007；Jungman等人，1996）给出：

$\Phi \; =\; (E\gamma )/(8\pi m\chi dN\gamma )dE\gamma )$

其中mχ<σv，dnγ>

Fermitools中的DMFitFunction用于使用点源模板拟合潜在的暗物质组分（Jeltema和Profumo，2008）。

残差TS图

残差TS图提供了背景残差的直观可视化，有助于定性评估观察到的过剩是否源于背景建模不足，例如来自相邻点源的污染。

创建了12个dSphs（Aquarius II、Bo?tes II、Eridanus II、Hercules、Reticulum II、Tucana II、Ursa Minor、Cetus II、Columba I、Reticulum III和Willman 1）在500 MeV到500 GeV能量范围内的残差TS图。

总结与讨论

本文对大约17年的Fermi-LAT数据进行了全面分析，以搜索45个dSphs的γ射线辐射。没有发现统计上显著的（>5σ）γ射线信号。但在一些dSphs（Aquarius II、Bo?tes II、Eridanus II、Hercules、Horologium I、Reticulum II、Tucana II、Ursa Minor、Columba I、Reticulum III和Willman 1）方向上发现了非常微弱的γ射线过剩。进一步分析表明，五个目标（Aquarius II、Hercules、Tucana II）的信号……

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尚丽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。

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