基于活动星系核的暗物质间接探测

One of the most prominent advantage of DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), comparing to its counterpart which also detect high energy gamma-rays in similar energy range, is its very high energy resolution. Thus the data observed by DAMPE is most appropriate to study the narrow spectral structure due to some unknown astronomical/physical mechanisms. Two examples of the mechanisms can cause sharp structures in the gamma-ray spectrum are dark matter (DM) particles annihilating to gamma-rays directly and the spectral irregularity caused by the effect of axion-like-particles (ALPs). This project will focus on the later. Specifically, according to the theory of ALPs, when gamma-rays propagating through a wide range of magnetic fields, the existence of ALPs can cause oscillations between photons and ALPs. Such a effect may lead to spectral irregularity appearing in the spectrum of some AGNs which locating within a galaxy cluster due to the maganetic field of the galaxy clusters. Since no known astrophysical mechanism can interpret such spectral irregularity, if we found this phenomenon, it is highly possible that a ALP signal is discovered. So the aim of this project is to searching for spectral irregularity in the spectrum of some specific AGNs using the gamma-ray data observed by DAMPE, namely we want search for the signal oringinating from ALPs using DAMPE data.

在伽马光子探测方面，暗物质粒子探测卫星(DAMPE)相较于国际上其它相似能段范围的探测仪器，最主要的优势是具有很高的能量分辨率。所以DAMPE卫星的数据尤其适合用来研究可能产生能谱结构的天文/物理机制。在暗物质间接探测领域，这样的机制有暗物质直接湮灭到光子产生的线谱以及类轴子粒子造成的特定AGN能谱上出现的不规则振荡结构。本项目主要研究的是后者。类轴子模型下，伽马光子能在磁场中发生光子-类轴子相互转化，这样的机制会导致位于星系团中的活动星系核发出的辐射，在穿越星系团时，在星系团磁场的作用下，发生光子-类轴子相互转化，进而导致观测到的伽马射线辐射能谱上出现不规则的振荡结构。这样的结构是不被天体物理机制所预计的，所以探测到活动星系核能谱中的振荡结构就有可能是探测到了暗物质粒子。本项目就是想利用高能量分辨率的DAMPE观测数据去寻找这样一种结构，亦即寻找类轴子粒子信号。

围绕着利用活动星系核的伽马射线观测来研究类轴子粒子的性质这一研究内容，我们开展了一系列研究工作，完成了计划任务书中的科研任务。主要的研究成果包括：为了更好的应用DAMPE伽马射线观测数据，我们参与了开发DAMPE数据光子挑选算法、以及开发DAMPE伽马射线数据科学分析软件的工作；开展了基于银河系内天体源的GeV、TeV观测进行类轴子研究的系列工作，在超新星遗迹的GeV能谱中发现4.2个标准差的疑似振荡信号，还利用银河系TeV辐射源给出了类轴子参数的新的限制；通过分析活动星系核PKS 2155-304、NGC 1275的伽马射线数据以及通过分析河外弥漫伽马射线背景的能谱，对类轴子性质进行了研究，排除了更多的参数空间，并采用DAMPE内部数据、或是采用已发表的仪器性能曲线进行蒙特卡罗模拟，得到了基于DAMPE仪器的相应的结果。本项目在PRD、JCAP、ApJ、MNRAS等国际著名天文和物理期刊发表相关研究论文11篇（1篇未标注），此外已投稿论文2篇（arXiv: 2010.12396、2012.15513）；3名博士研究生完成项目相关研究工作，指导3名硕士研究生。