在“悟空”卫星的伽马射线观测中寻找暗物质粒子信号

We will use the gamma-ray observations of the “Wukong” DArk Matter Particle Explorer to search for dark matter particle annihilation/decay signatures in the Universe, and obtain constraints on particle properties, i.e., annihilation cross-section, mass and lifetime. We will mainly focus on the Galactic Center and its proximity, the M31 galaxy and some faint dwarf spheroidal galaxies close to our Milky Way. In addition to dark matter, astrophysical sources also contribute to the detected gamma-rays. We will carefully study the gamma-rays due to interstellar medium and cosmic ray interaction, and due to inverse Compton scattering of low energy photons by electrons/positrons. We consider the cosmic ray from both SNRs and the Sgr A* black hole. Point sources, for example pulsars and extragalactic blazars, will be taken into account as well. We will use the analytical model and high-resolution numerical simulation to compute the gamma-rays from dark matter in main halos and subhalos, taking into account the enhancement of dark matter density near the central black hole. Finally we will obtain the upper limit of the dark matter annihilation/decay contribution to the observed gamma-rays, and the constraints on dark matter particle properties.

我们将利用“悟空”号暗物质粒子探测卫星观测的伽马射线寻找宇宙中暗物质粒子湮灭或者衰变的信号，并对暗物质粒子的性质，如湮灭截面、质量、寿命等给出限制。我们将主要关注来自银河系中心及附近、来自M31、以及来自若干银河系附近且较暗的矮椭球星系方向的伽马射线观测。除了暗物质以外，天体物理源也会产生伽马射线。我们将仔细研究宇宙线与星际介质相互作用，以及电子/正电子对低能光子的逆康普顿散射产生的伽马射线。SNR与银心黑洞贡献的宇宙线都会被考虑到。我们也将研究点源的贡献，包括脉冲星，河外blazar等等。我们将结合解析与高分辨率数值模拟给出的主暗晕与子暗晕贡献的伽马射线，也考虑到银心黑洞对暗晕中心附近区域的增强效应。最终我们将给出暗物质湮灭或衰变的贡献上限及暗物质粒子的性质的限制。

在本项目中，我们利用“悟空”卫星的伽玛射线观测和正负电子观测，结合其它仪器，如AMS-02,、Fermi、HESS、CALET等的观测，研究了暗物质晕和暗物质粒子的性质。..我们首先分析了电子能谱，发现在扣掉天体物理的贡献之后，有很强的超出。这个超出和1.5 TeV附近的谱线结构可能都来自于暗物质，其中连续谱部分超出来自于银河系的弥散分布的暗物质，而谱线则来自于太阳附近的一个小的致密的暗物质子结构。考虑多种湮灭通道，我们得到的对应的湮灭截面约10^-23 cm^3s^-1, 其中电子-正电子的直接湮灭通道的分支比约10^-3. 子结构离太阳的距离应该<0.53 kpc. 如果其密度轮廓较陡（幂指数-1.7），则质量最高可达约10^4.5 M_SUN, 若较为平缓（幂指数-1.2），则质量最高可达约10^7.5 M_SUN. 我们还预言了这个子结构产生的宇宙线的各向异性以及伽玛射线信号的强度。..我们也尝试研究了在电子和伽玛射线联合限制下，矮星系的暗物质产生的射电信号。电子谱线给出了暗物质粒子质量约为1.5 TeV的限制，结合费米的伽玛射线数据，可以给出湮灭截面的限制，打破二者之间的简并性。我们选了几个有射电信号观测的矮星系，发现对应的射电信号高于测量。因此探测暗物质应该尽量选择天体物理贡献的射电信号较小的矮星系。另外，不同的湮灭通道产生的射电频谱差异较小，但是射电信号的空间分辨率较高，其中心部分新鲜产生的粒子占比更大的，相对有利。我们接着尝试了初步处理的“悟空”卫星的数据，这些数据噪音更高，限制也更松。..我们也研究了kappa分布的热等离子体的X射线辐射，并将其添加到了APEC软件里，这将是一个分析超新星遗迹、行星状星云之类等离子体的状态及参数的有用的工具。