矮星系中暗物质湮灭信号的研究

利用暗物质湮灭的信号来探测暗物质，确定它的微观粒子特性，是当前暗物质研究的重要课题。本项目旨在研究暗物质湮灭产生的正负电子在质光比高的矮星系里传播的过程中产生的电磁信号。重点分析如何从邻近的矮椭球星系和不规则矮星系的射电信号中甄别暗物质的贡献，探讨暗物质湮灭信号在射电波段探测的可行性。调研现有的射电望远镜对邻近矮星系的观测，基于我们理论模型和国内外大型射电望远镜的探测能力，申请对最佳研究对象进行更高精度的科学观测。进一步结合现有的这类电磁信号在其他波段的观测，有效地限制暗物质模型的参数空间，同时也将获得这些矮星系的暗物质晕的密度轮廓及其磁场，辐射场等更精确的信息。

本项目旨在研究暗物质湮灭产生的正负电子在矮星系里传播的过程中诱发的电磁信号可能引起的观测效应。在项目执行的三年期间，国际上在该方向上的主要进展为FERMI和AMS02对高能正负电子谱更为精确的测量。暗物质湮灭作为额外的正负电子源定性地可以解释实验测量结果与传统宇宙射线模型的偏差，而定量地描述测量数据对暗物质的理论模型又提出了新的挑战。本项目按照研究计划，具体工作包含唯象模型计算和天文观测两方面。首先，我们估算出的暗物质湮灭在矮星系中诱发的同步辐射信号为弱的展源，且低频的辐射强度高。基于此，我们调研了现有大型射电望远镜的探测能力，先后申请了ATA，GMRT以及VLA（优先等级为C）的观测时间。我们最终利用GMRT对邻近的矮椭球星系Draco和UrsaMinor进行了8小时的在源观测，观测频率为150MHz，这是迄今为止对这两个源频率最低的射电观测。观测数据的处理涉及如何有效地消除大视场内外已知射电源的影响，如何得到由指向误差，电离大气层等原因造成的方向依赖的visibility幅度和相位的变化，以及如何处理大量的射电频率干扰（在大带宽的低频信号处理中尤为重要）。我们初步的数据处理结果是并未探测到明显的展源信号，这与目前较为高频（1.4GHz）的探测结果一致。以此为探测上限，我们进一步得到了可与FERMI伽马射线波段给出的对暗物质模型参数空间的限制相比拟的射电波段的强限制。本项目中另外一项内容为研究不规则矮星系中暗物质湮灭可能引起的观测现象。首先研究了大麦哲云星系中利用多波段的观测数据对暗物质湮灭信号给出更强的限制。我们由其远红外信号求出恒星形成率，推导出宇宙射线诱发的射电信号，与射电观测信号进行对比，将超出的部分做为暗物质诱发的射电信号的上限，得到的限制与从伽马射线上得到的限制也可以比拟。其次基于Spitzer的红外巡天数据库，我们选取了其中包含1.4GHz射电观测的源为统计样本，研究了该样本中射电红外关联度。我们发现低表面亮度星系中射电红外关联度显著不同于正常星系中的相应值。然而暗物质湮灭信号对其的贡献的强弱还有待进一步细致的工作。另外，结合三年中暗物质研究各方面的进展，我们拓展了研究领域：一是研究了中子星中暗物质沉积对其内部结构的影响；二是研究核子结构不确定度在暗物质直接探测中的影响。